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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul für einen Inverter einer elektrischen Maschine, einen solchen Inverter, eine Anordnung aus einer elektrischen Maschine und einem solchen Inverter sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Leistungsmoduls.
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Stand der Technik
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Bei elektrischen Maschinen, insbesondere bei solchen, die als Generator verwendet werden, und insbesondere auch bei Verwendung in Fahrzeugen, wird eine immer höhere Leistungsdichte gefordert. Gerade im Inverter (Stromrichter) solcher elektrischer Maschinen, in dem in aller Regel Halbleiterbauelemente, insbesondere Halbleiterschalter, verwendet werden, um den erzeugten Wechselstrom gleichzurichten bzw. anliegenden Gleichstrom wechselzurichten, entstehen hohe Verlustleistungen, wodurch Wärme entsteht, die möglichst gut abgeführt werden sollte.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Leistungsmodul für einen Inverter, ein solcher Inverter, eine Anordnung aus einer elektrischen Maschine und einem solchen Inverter sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Leistungsmoduls mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Bei einem erfindungsgemäßen Leistungsmodul handelt es sich um ein Leistungsmodul für einen Inverter einer elektrischen Maschine mit wenigstens einem Halbleiterbauelement und einem Kühlkörper. Es versteht sich, dass ein solches Leistungsmodul auch mehrere Halbleiterbauelemente umfassen kann. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn das Leistungsmodul in Form einer Halbbrücke oder auch in Form mehrerer Halbbrücken für den Inverter zur Gleich- bzw. Wechselrichtung vorgesehen ist. Als Halbleiterbauelemente kommen hierbei insbesondere Halbleiterschaltelemente wie Transistoren, vorzugsweise MOSFETs oder IGBTs, in Betracht. Ebenso kann es sich hierbei aber auch um Dioden oder andere SMD-Bauteile (also „Surface-Mounted-Devices“) handeln. Generell können neben dem wenigstens einen Halbleiterbauelement auch andere elektronische Bauelemente wie beispielsweise Shunts auf die gleiche Weise auf Elemente aus elektrisch leitfähigem Material wie beispielsweise Kupferelemente aufgelötet sein, wenn solche Bauteilte beispielsweise in einem bestimmten Leistungsmodul benötigt werden. Vorzugsweise sind die Halbleiterschaltelemente zum Schalten einer Spannung von mehr als 40V eingerichtet, z.B. 48V.
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Bei diesem Leistungsmodul ist das wenigstens eine Halbleiterbauelement, das wenigstens zwei Anschlusskontakte aufweist, mit wenigstens einem seiner Anschlusskontakte an einem Element aus elektrisch leitfähigem Material mittels elektrisch-mechanischer Verbindung befestigt, d.h. einer Verbindung, die sowohl einen elektrischen als auch einen mechanischen Kontakt herstellt. Als elektrischmechanische Verbindung kommt insbesondere Löten in Betracht. Das Element aus elektrisch leitfähigem Material wiederum ist über eine elektrisch isolierende und wärmeleitende Schicht mit dem Kühlkörper verbunden. Als Element aus elektrisch leitfähigem Material kommt insbesondere ein Kupferelement bzw. als entsprechendes Material Kupfer in Betracht. Ebenso ist aber auch eine Kupferlegierung bzw. allgemein Kupfer enthaltendes Material zweckmäßig. Besonders bevorzugt kommt hierbei eine Bahn bzw. Kupferbahn in Betracht und das Element dient zur Kontaktierung des wenigstens einen Halbleiterbauelements. Um eine elektrische Trennung des Anschlusskontakts bzw. der Kontaktstelle zu gewährleisten, können - im Falle mehrerer Elemente bzw. zugehöriger Anschlusskontakte - die einzelnen Elemente bzw. Bahnen separiert sein. Ein Abstand bzw. ein Freiraum zwischen zwei benachbarten Elementen kann dabei geeignet gewählt werden.
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Eine elektrische Isolation zwischen dem Halbleiterbauelement und dem Kühlkörper wird durch die elektrisch isolierende und wärmeleitende Schicht erreicht. Bei dieser Schicht kann es sich besonders bevorzugt um Wärmeleitkleber handeln bzw. diese Schicht kann einen Wärmeleitkleber aufweisen. Wärmeleitkleber basieren beispielsweise auf Epoxidharz oder Silikon, wobei die Wärmeleitung beispielsweise durch keramische oder metallische Füllstoffe hergestellt wird. Wärmeleitkleber sind dabei oftmals auch unter dem Begriff „Thermal Interface Material“ bzw. der Abkürzung TIM bekannt. Denkbar ist jedoch auch eine nicht klebende Wärmeleitpaste oder eine Wärmeleitfolie, wobei das Halbleiterbauelement dann beispielsweise mit einer Befestigungsvorrichtung wie einer Schraube oder einer Klemmvorrichtung befestigt werden kann. Hierbei ist dann auf eine entsprechende elektrische Isolierung zu achten.
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Durch die vorgeschlagene Lösung ist es nunmehr möglich, eine besonders effektive Wärmeabfuhr in dem Leistungsmodul zu erzielen. Bei der Wärmeabfuhr in solchen Leistungsmodulen kommt es insbesondere auf zwei Größen an, nämlich die thermische Kapazität des das Halbleiterbauelement umgebenden Materials und den thermischen Widerstand zwischen Halbleiterbauelement und Kühlkörper. Während die thermische Kapazität des das Halbleiterbauelement umgebenden Materials für eine effektive Wärmeabfuhr möglichst groß sein sollte, sollte der thermische Widerstand zwischen Halbleiterbauelement und Kühlkörper möglichst gering sein.
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Genau diese beiden Anforderungen können mit der vorgeschlagenen Lösung besonders gut erfüllt werden, da das Halbleiterbauelement direkt mit seinem Anschlusskontakt auf ein Element aus elektrisch leitfähigem Material wie beispielsweise Kupfer gelötet wird, welches Element insbesondere eine hohe thermische Kapazität hat. Zudem sind nur das Element und die elektrisch isolierende und wärmeleitende Schicht zwischen dem Halbleiterbauelement und dem Kühlkörper vorhanden, was zu geringem thermischem Widerstand führt. Ein besonderer Vorteil der vorgeschlagenen Lösung liegt zudem darin, dass eine Dicke der Elemente wie beispielsweise Kupferbahnen variiert werden kann, womit auch die thermische Kapazität des das Halbleiterbauelement umgebenden Materials beeinflusst, insbesondere gezielt gewählt oder eingestellt werden kann.
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Übliche Kupferdicken von Technologien wie DBC („Direct Bonded Copper“), IMS („Insulated Metal Substrate“) oder epoxidharzbasierten Technologien liegen bei 70 µm bis 400 µm. Dabei sind größere Schichtdicken allerdings mit hohen Kosten verbunden. Es gibt auch sogenannte Power Boards, in denen auch dicke Kupferbahnen mit einer Dicke von beispielsweise 2 mm eingelassen sind. Solche Boards sind dann jedoch Spezialanfertigungen und im Herstellungsprozess sehr teuer. Bevorzugte Schichtdicken bzw. Dicken der Elemente aus elektrisch leitfähigem Material, also insbesondere Kupfer oder einer Kupferlegierung, liegen bevorzugt bei 600 µm bis 1000 µm. Diese Schichtdicken lassen sich problemlos stanzen. Die Schichtdicke kann ohne großen Mehraufwand und Mehrkosten variiert werden. Das ist bei anderen bekannten Verfahren bzw. Methoden nicht realisierbar. Schichtdicken von 2 mm oder mehr sind ebenfalls denkbar. Diese Schichtdicken können dann beispielsweise auch gelasert werden.
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Damit ist nun zudem eine mitunter deutliche Kostenreduzierung möglich, da - im Vergleich zu bisherigen Lösungen mit beispielsweise keramischen Schichten, Einbettung in Harz oder zusätzlichen Aluminiumplatten - weniger Material benötigt wird. Vom Lotmaterial abgesehen werden im Wesentlichen nur die Elemente und Material für die wärmeleitende Schicht, also insbesondere der Wärmeleitkleber benötigt. Die Elemente können besonders kostengünstig gestanzt werden. Zudem ist damit eine besonders flexible Gestaltung der Geometrie der Elemente (oder auch der Kupferbahnen) möglich, nicht nur hinsichtlich ihrer jeweiligen Dicke.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn wenigstens einer der Anschlusskontakte mittels elektrisch-mechanischer Verbindung direkt auf dem Kühlkörper, insbesondere einer erhöhten Stelle des Kühlkörpers, befestigt ist, wobei der Kühlkörper elektrisch leitfähig ausgebildet ist. Der Kühlkörper trägt in den meisten Fällen das Massepotential, mit dem meistens ohnehin ein Anschlusskontakt des Halbeiterbauteils verbunden werden soll oder muss. In diesem Fall ist also möglich, das Element aus elektrisch leitfähigem Material bzw. den Kupferträger entfallen zu lassen und das Halbeiterbauteil direkt elektrisch-mechanisch mit dem Kühlkörper, z.B. durch Löten zu verbinden.
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Alternativ oder zusätzlich ist es bevorzugt, wenn wenigstens zwei der Anschlusskontakte auf jeweils einem Element aus elektrisch leitfähigem Material mittels elektrisch-mechanischer Verbindung befestigt sind, wobei die jeweiligen Elemente über eine elektrisch isolierende und wärmeleitende Schicht mit dem Kühlkörper verbunden sind. Damit können also beispielsweise zwei Anschlusskontakte auf die gleiche Weise angebunden werden.
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Das wenigstens eine Halbleiterbauelement kann dabei vorzugsweise ein nicht eingehaustes (d.h. ein nacktes) Halbleiterbauelement umfassen (auch unter dem Begriff „bare die“ bekannt), bevorzugt ist es aber ebenso, wenn das wenigstens eine Halbleiterbauelement ein eingehaustes Halbleiterbauelement umfasst. Bei bislang üblichen Methoden mit beispielsweise Harzumgießung war die Verwendung von eingehausten Halbleiterbauelementen in der Regel nicht möglich. Dies ist nunmehr jedoch möglich, da die Anschlusskontakte des Halbleiterbauelements bei vorhandenem Gehäuse in aller Regel derart angeordnet sind (meist am Boden), dass sie entsprechend auf das Element aufgelötet bzw. damit elektrisch-mechanisch verbunden werden können. Damit kann die Variation der verwendbaren Halbleiterbauelemente deutlich erhöht werden. Durch beispielsweise das direkte Auflöten auf Kupfer und der mehr oder weniger beliebig wählbaren Dicke solcher Kupferelemente wird zugleich auch eine nötige Stabilität des Leistungsmoduls erreicht.
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Generell kann ein solches Leistungsmodul beispielsweise auch eine oder mehrere Leiterplatten umfassen, an welche bestimmte Anschlusskontakte der Halbleiterbauelemente angeschlossen sein können, insbesondere solche Anschlusskontakte, bei denen keine oder nur geringe Wärme entsteht. Dies ist beispielsweise für einen Gate-Anschluss eines MOSFET der Fall.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn wenigstens eines der Elemente aus elektrisch leitfähigem Material einen aufgebogenen Abschnitt aufweist, an dem der entsprechende Anschlusskontakt des wenigstens einen Halbleiterbauelements mittels elektrisch-mechanischer Verbindung befestigt bzw. aufgelötet ist. Der aufgebogenen Abschnitt umfasst die Biegung selbst (d.h. einen gekrümmten Bereich) und u.U. einen sich daran anschließenden nicht mehr gekrümmten, vom Rest des Elements abstehenden Bereich. Dies ermöglicht eine besonders variable, insbesondere dreidimensionale Geometrie des Leistungsmoduls. Zudem können auf diese Weise etwaige weitere Verbindungelemente wie Bonds entfallen. Da beispielsweise Kupfer oder auch eine Kupferlegierung besonders einfach und ohne Schaden gebogen werden kann, ist dies besonders einfach zu realisieren.
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Vorzugsweise weist das Leistungsmodul weiterhin wenigstens einen Kondensator auf, wobei ein Anschlusskontakt des Kondensators durch eine Öffnung (bzw. ein Loch) in einem der Elemente aus elektrisch leitfähigem Materialgeführt oder an einem dieser Elemente vorbei geführt, und mit dem Elemente (dann also von der anderen Seite bzw. von oben) verbunden ist, insbesondere in einem aufgebogenen Abschnitt. Dies bedeutet somit eine oberseitige Kontaktierung des Kondensators. Kondensatoren sind beispielsweise für Halbbrücken für Gleichrichter nötig oder zumindest zweckmäßig. Mit der erwähnten Anordnung lässt sich dabei auch ein möglichst wenig induktiver Aufbau erreichen.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Inverter für eine elektrische Maschine, insbesondere eine motorisch und generatorisch betreibbare elektrische Maschine. Der Inverter weist dabei ein erfindungsgemäßes Leistungsmodul auf, das insbesondere in Form einer oder mehrerer Halbbrücken ausgebildet ist. Auf diese Weise lässt sich also auch eine entsprechende elektrische Maschine mit Inverter darstellen. Besonders geeignet ist die vorgeschlagene Lösung im Bereich der elektrifizierten Antriebsstränge, da hier in aller Regel besonders hohe Wärmeleistungen abgeführt werden müssen.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls für einen Inverter einer elektrischen Maschine, welches Leistungsmodul einen Kühlkörper und wenigstens ein Halbleiterbauelement aufweist, welches wiederum wenigstens zwei Anschlusskontakte aufweist. Dabei wird das wenigstens eine Halbleiterbauelement mit wenigstens einem seiner Anschlusskontakte auf einem Element aus elektrisch leitfähigem Material mittels elektrisch-mechanischer Verbindung befestigt, insbesondere aufgelötet, und das Element wird über eine elektrisch isolierende und wärmeleitende Schicht, insbesondere mittels eines elektrisch isolierenden Wärmeleitklebers, mit dem Kühlkörper verbunden. Dabei kann also insbesondere ein erfindungsgemäßes Leistungsmodul hergestellt werden. Insofern sei in Bezug auf Vorteile, besondere Ausgestaltungen sowie eine nähere Beschreibung auch auf obige Ausführungen zum Leistungsmodul verwiesen, die hier entsprechend gelten.
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Zweckmäßigerweise werden als das wenigstens eine Halbleiterbauelement ein nicht eingehaustes Halbleiterbauelement und/oder ein eingehaustes Halbleiterbauelement verwendet. Als das wenigstens eine Halbleiterbauelement wird insbesondere ein Halbleiterschalter, insbesondere ein MOSFET und/oder ein IGBT, und/oder eine Diode und/oder ein SMD-Bauteil verwendet. Ebenso versteht sich, dass mehrere solcher, auch verschiedener Halbleiterbauelemente, ggf. auch weitere Bauteile, verwendet werden.
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Bevorzugt wird bei dem Element aus elektrisch leitfähigem Material ein Abschnitt aufgebogen, an dem dann der entsprechende Anschlusskontakt des wenigstens einen Halbleiterbauelements mittels elektrisch-mechanischer Verbindung befestigt bzw. aufgelötet wird. Zudem ist es zweckmäßig, wenn weiterhin wenigstens ein Kondensator vorgesehen wird, wobei ein Anschlusskontakt des Kondensators durch eine Öffnung in dem Element geführt oder an dem Element vorbei geführt, und mit dem Element verbunden wird, insbesondere in einem aufgebogenen Bereich.
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Besonders bevorzugt wird das Leistungsmodul in Form einer oder mehrerer Halbbrücken ausgebildet und/oder für einen Inverter für eine als Generator und/der Motor betreibbare elektrische Maschine verwendet. Auf diese Weise kann also ein Inverter hergestellt werden, insbesondere auch eine elektrische Maschine mit einem solchen Inverter.
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Gegenstand der Erfindung ist auch eine Anordnung aufweisend eine elektrische Maschine und einen daran angebauten Inverter mit einem oder mehreren erfindungsgemäßen Leistungsmodulen, insbesondere in einem Fahrzeug, z.B. als Fahrzeuggenerator, Startergenerator oder sog. Boost-Rekuperations-Maschine (BRM). Eine solche Anordnung kann beispielsweise eine fremderregte elektrische Maschine mit Läuferwicklung (Erregerwicklung) und Ständerwicklung und als Leistungselektronik einen der Ständerwicklung nachgeschalteten Inverter bzw. Stromrichter mit Regler (z.B. Generatorregler bzw. Feldregler) aufweisen, der die von der elektrischen Maschine erzeugte Spannung bzw. das von der elektrischen Maschine erzeugte Drehmoment regelt. Elektrische Maschinen können in Kraftfahrzeugen z.B. als sog. Startergeneratoren eingesetzt werden, um einerseits in einem Motorbetrieb die Brennkraftmaschine zu starten und um andererseits in einem Generatorbetrieb Strom für das Bordnetz und zum Laden der Kraftfahrzeugbatterie zu erzeugen. Mittels einer derartigen elektrischen Maschine kann beispielsweise auch ein sog. Boost-Rekuperations-System (BRS) zur Energierückgewinnung realisiert werden. Im Motorbetrieb wandelt die elektrische Maschine elektrische Energie in mechanische Energie um und erzeugt ein Antriebsmoment. Im Generatorbetrieb nimmt die elektrische Maschine dabei ein Antriebsmoment auf und wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um. Im Rekuperationsbetrieb wird beispielsweise während Bremsphasen Energie rückgewonnen und ein Energiespeicher, beispielsweise eine Batterie, wird aufgeladen. BRM werden insbesondere mit einer höheren Spannung als herkömmliche Bordspannungen betrieben, z.B. mit 48 V (statt 12 bzw. 24 V). Denkbar sind jedoch auch deutlich höhere Spannungen bis zu 400 V oder 600 V.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Leistungsmodul in einer bevorzugten Ausführungsform in Schnittansicht.
- 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Leistungsmodul in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in Draufsicht.
- 3 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Leistungsmodul in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in Draufsicht.
- 4 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Leistungsmodul in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in Schnittansicht.
- 5 zeigt schematisch eine elektrische Maschine mit einem erfindungsgemäßen Inverter in einer bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Leistungsmodul 100 in einer bevorzugten Ausführungsform in Schnittansicht dargestellt. Das Leistungsmodul 100 umfasst hier beispielhaft nur ein Halbleiterbauelement 110. Das Halbleiterbauelement 110 kann dabei nicht eingehaust sein, d.h. es handelt sich nur um einen Halbleiterchip.
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Das Halbleiterbauelement 110 ist nun mit einem Anschlusskontakt, der sich hier beispielsweise auf der Unterseite befinden kann bzw. durch die Unterseite oder einen Teil davon gebildet werden kann und schematisch mit dem Bezugszeichen 111 angedeutet ist, auf einem als Kupferelement 120 ausgebildeten Element aus elektrisch leitfähigem Material mittels elektrisch-mechanischer Verbindung befestigt, insbesondere aufgelötet. Das Kupferelement 120 wiederum ist mittels einer elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Schicht 130, die insbesondere einen elektrisch isolierenden Wärmeleitkleber aufweist, mit einem Kühlkörper 140 verbunden.
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Es versteht sich, dass weitere Kupferelemente bzw. Elemente aus elektrisch leitfähigem Material auf gleiche Weise mit einem entsprechenden (anderen) Anschlusskontakt des Halbleiterbauelements 110 mittels Lot oder dergleichen verbunden sein können, die in der hier gezeigten Ansicht nicht sichtbar sind (vgl. hierzu aber 2). Zwischen einzelnen Kupferelementen, die insbesondere auch als Kupferbahnen ausgebildet sein können, sind dann vorzugsweise Abstände bzw. Freiräume gebildet, um einen elektrischen Kontakt zwischen Anschlusskontakten des Halbleiterbauelements 110 zu vermeiden. Solche mehrere Kupferelemente können dann jedoch gemeinsam mittels des Wärmeleitklebers 130 bzw. einer entsprechenden Schicht auf dem Kühlkörper aufgebracht bzw. damit verbunden sein.
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Bei der Herstellung eines solchen Leistungsmoduls können dabei zunächst die Kupferelemente mittels des Wärmeleitklebers mit dem Kühlkörper verbunden werden. Denkbar ist hierzu auch, die einzelnen Kupferelemente bzw. Kupferbahnen aus einem Kupferpad, das auch als Ganzes mittels des Wärmeleitklebers mit dem Kühlkörper verbunden werden kann, herzustellen, beispielsweise durch Ausbilden geeigneter Zwischenräume.
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Anschießend kann das Halbeiterbauelement 110 mit den Anschlusskontakten jeweils auf dem entsprechenden Kupferelement aufgelötet werden. Bei Bedarf können die Kupferelemente dabei auch in einem Abschnitt gebogen werden, um eine bessere Kontaktierung einzelner Anschlusskontakte zu ermöglichen.
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In 2 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Leistungsmodul 200 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in Draufsicht dargestellt. Das Leistungsmodul 200 umfasst hier beispielhaft zehn Halbleiterbauelemente 210. Die Halbleiterbauelemente 210 bilden dabei fünf Halbbrücken 201, d.h. jede Halbbrücke 201 umfasst zwei Halbleiterbauelemente 210. Die Halbleiterbauelemente 210 können dabei eingehaust sein. Zudem sind beispielhaft Anschlusskontakte 211 dargestellt, von denen der Übersichtlichkeit halber nur einer (von jeweils acht) mit einem Bezugszeichen versehen ist.
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Die Halbleiterbauelemente 210 sind nun sowohl mit den Anschlusskontakten 211 als auch mit in dieser Ansicht nicht sichtbaren Anschlusskontakten an ihrer jeweiligen Unterseite auf jeweilige, als Kupferelemente 220 ausgebildete Elemente aus elektrisch leitfähigem Material aufgelötet bzw. mittels elektrisch-mechanischer Verbindung befestigt. Die Kupferelemente 220 wiederum sind mittels eines Wärmeleitklebers als. elektrisch isolierende und wärmeleitende Schicht mit einem Kühlkörper verbunden, wobei in dieser Ansicht der Übersichtlichkeit halber Wärmeleitkleber und Kühlkörper nicht dargestellt sind. Der Aufbau kann jedoch wie in 1 gezeigt ausgebildet sein. Insbesondere können sowohl mehrere Kühlkörper verwendet werden, mit denen jeweils eines oder mehrere Kupferelemente (beispielsweise diejenigen einer Halbbrücke 201) verbunden sind, als auch insgesamt nur ein Kühlkörper für alle vorhandenen Kupferelemente.
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Weiterhin ist zu sehen, dass jedes der Halbleiterbauelemente 210 auf jeweils zwei Kupferelemente 220 aufgelötet ist. Dies kann beispielsweise mit den Anschlusskontakten für Source und Drain eines als MOSFET ausgebildeten Halbleiterbauelements der Fall sein. Weiterhin ist zu sehen, dass jedes der Halbleiterbauelemente 210 mit einem Anschlusskontakt an einer Leiterplatte 250 (auch als PCB bezeichnet) angeschlossen ist. Dies kann beispielsweise mit einem Anschlusskontakt für Gate der Fall sein. Die Leiterplatte selbst ist hier nur schematisch angedeutet.
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Bei dem hier gezeigten Leistungsmodul 200 mit den fünf Halbbrücken 201 kann es sich also insgesamt um eine Gleichrichterschaltung eines Inverters einer elektrischen Maschine handeln.
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In 3 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Leistungsmodul 300 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in Draufsicht dargestellt. Das Leistungsmodul 300 umfasst hier beispielhaft zwei Halbleiterbauelemente 310.
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Jedes der beiden Halbleiterbauelemente 310 ist mit einem jeweiligen Anschlusskontakt, der sich hier beispielsweise auf der Unterseite befindet bzw. durch die Unterseite oder einen Teil davon gebildet wird, auf einem als Kupferelement 320 ausgebildeten Element aus elektrisch leitfähigem Material mittels elektrisch-mechanischer Verbindung befestigt, insbesondere aufgelötet.
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Weiterhin sind mehrere der Anschlusskontakte 311 der Halbleiterbauelemente 310 jeweils mit einem weiteren als Kupferelement 320 ausgebildeten Element aus elektrisch leitfähigem Material mittels elektrisch-mechanischer Verbindung befestigt, insbesondere aufgelötet. Während dabei in dem links gezeigten Halbleiterbauelement 320 zwei solcher Elemente 320 verwendet werden, wird für das rechts gezeigte Halbleiterbauelement 320 nur ein solches Element verwendet.
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Mehrere Anschlusskontakte 311 des rechts gezeigten Halbleiterbauelements 320 sind hingegen mit einer erhöhten Stelle 340` eines Kühlkörpers 340 verbunden.
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Der Kühlkörper 340 ist insofern auch elektrisch leitend ausgebildet und dient beispielsweise als Masseanschluss für das Halbleiterbauelement 320.
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Die Kupferelemente 320 wiederum sind jeweils mittels einer elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Schicht, die insbesondere einen elektrisch isolierenden Wärmeleitkleber aufweisen kann, vorliegend jedoch nicht gezeigt ist, mit dem Kühlkörper 340 verbunden.
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Weiterhin ist in dem links gezeigten Kupferelement 320 eine Öffnung bzw. ein Loch 321 vorgesehen und es ist ein Abschnitt 322 aufgebogen. In einer Ausnehmung des Kühlkörpers 340 ist ein Kondensator 350 angeordnet, der hier nur teilweise zu sehen ist. Eine Kontaktierung des Kondensators 350 erfolgt mittels eines Anschlusskontaktes oder Anschlussdrahtes 351, der im gezeigten Beispiel durch die Öffnung 321 hindurch geführt und an dem aufgebogenen Abschnitt 322 befestigt, beispielsweise aufgelötet, ist.
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In 4 ist ein erfindungsgemäßes Leistungsmodul 400 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform im Längsschnitt dargestellt. Das Leistungsmodul 400 ist vom Aufbau sehr ähnlich zum Leistungsmodul 300 gemäß 3, unterscheidet sich jedoch durch eine andere Art der elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Schicht und die Befestigung des Elements aus elektrisch leitfähigem Material auf dem Kühlkörper.
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Das Leistungsmodul 400 umfasst beispielhaft zwei Halbleiterbauelemente 410, von denen jedes mit einem jeweiligen Anschlusskontakt, der sich hier beispielsweise auf der Unterseite befindet bzw. durch die Unterseite oder einen Teil davon gebildet wird, auf einem als Kupferelement 420 ausgebildeten Element aus elektrisch leitfähigem Material mittels elektrisch-mechanischer Verbindung befestigt, insbesondere aufgelötet ist. Dieser Anschlusskontakt ist hier nicht gezeigt, kann jedoch wie in Bezug auf 1 erläutert, ausgebildet sein.
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Während bei dem links gezeigten Halbleiterbauelement 410 zwei Anschlusskontakte mit einem jeweiligen Kupferelement 420 verbunden sind, ist bei dem rechts gezeigten Halbleiterbauelement 410 ein Anschlusskontakt (der nicht explizit gezeigt ist) mit einer erhöhten Stelle 440` eines Kühlkörpers 440 verbunden, wie dies auch in Bezug auf 3 erläutert wurde.
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Die Kupferelemente 420 wiederum sind jeweils mittels einer elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Schicht, die insbesondere eine elektrisch isolierende und wärmeleitende Folie oder Wärmeleitpaste aufweisen kann, mit dem Kühlkörper 440 verbunden. Da somit insbesondere die Schicht keine Haftung zwischen Kühlkörper und Kupferelement vermittelt, ist zur Fixierung für eines der Kupferelemente 420 beispielhaft eine Schraube 531 als Befestigungsmittel vorgesehen, die insbesondere aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt sein kann oder zumindest elektrisch isolierend angebracht ist.
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Weiterhin ist in dem links gezeigten Element bzw. Kupferelement 420 eine Öffnung bzw. ein Loch vorgesehen und es ist ein Abschnitt 422 aufgebogen. In einer Ausnehmung 441 des Kühlkörpers 440 ist ein Kondensator 450 angeordnet. Eine Kontaktierung des Kondensators 450 erfolgt mittels eines Anschlusskontaktes oder Anschlussdrahtes 451, der im gezeigten Beispiel durch die Öffnung hindurch geführt und an dem aufgebogenen Abschnitt 422 befestigt, beispielsweise aufgelötet, ist.
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In 5 ist grob schematisch eine elektrische Maschine 500 mit einem erfindungsgemäßen Inverter 510 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Die elektrische Maschine 500, die insbesondere in motorischem und generatorischem Betrieb verwendet werden kann, besonders bevorzugt auch in einem sog. Boost-Rekuperations-System, weist einen Läufer 540 auf einer Welle 520 auf, die beispielsweise hier nicht näher dargestellte Klauenpole und eine Läuferwicklung aufweist. Entsprechend ist auch ein Ständer 530 gezeigt, der beispielsweise eine hier nicht näher dargestellte Ständerwicklung aufweisen kann.
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Teil der elektrischen Maschine 500 ist hier nun der Inverter 510, der beispielsweise an ein Gehäuse der elektrischen Maschine, das den Läufer 540 umgibt, angebracht sein kann. Der Inverter 510 selbst weist nun ein Leistungsmodul auf, beispielsweise das in 3 gezeigte Leistungsmodul 300 mit fünf Halbbrücken. Es können jedoch auch die in den anderen Figuren gezeigten und beschriebenen Leistungsmodule verwendet werden.
