DE102018218961A1 - Circuit arrangement for controlling an electrical machine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (100) zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine, mit mehreren Halbbrücken (110), die jeweils zwei miteinander verbundene Halbleiterschalter (H, H) aufweisen, wobei die Halbbrücken (110) jeweils einen Mittelabgriff (M) zwischen den zwei Halbleiterschaltern für einen Phasenanschluss sowie einen positiven Anschluss und einen negativen Anschluss auf jeweils einer Seite der Halbbrücke aufweisen, wobei die Halbbrücken (110) auf einer Trägerplatte (140) angeordnet sind, mit einer positiven Anschlussplatte (120), die von der Trägerplatte (140) mit den Halbbrücken beabstandet und dieser gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die positiven Anschlüsse der Halbbrücken (110) mit der positiven Anschlussplatte (120) und die negativen Anschlüsse der Halbbrücken miteinander verbunden sind, und mit einer ein Volumen (V) begrenzenden strukturellen Begrenzung (150) aus elektrisch leitfähigem Material, die zumindest teilweise zwischen der positiven Anschlussplatte (120) und der Trägerplatte (140) angeordnet ist, wobei das von der strukturellen Begrenzung (150) begrenzte Volumen (V) ein zwischen der positiven Anschlussplatte (120) und der Trägerplatte (140) vorhandenes Volumen (V) zumindest teilweise umfasst.The invention relates to a circuit arrangement (100) for controlling an electrical machine, with a plurality of half bridges (110), each having two interconnected semiconductor switches (H, H), the half bridges (110) each having a center tap (M) between the two semiconductor switches for a phase connection as well as a positive connection and a negative connection on each side of the half-bridge, the half-bridges (110) being arranged on a carrier plate (140), with a positive terminal plate (120) which extends from the carrier plate (140) is spaced from the half bridges and is arranged opposite thereto, the positive connections of the half bridges (110) being connected to the positive connection plate (120) and the negative connections of the half bridges being connected, and having a structural limitation (150) which limits a volume (V) electrically conductive material that is at least partially between the posi tive connection plate (120) and the support plate (140) is arranged, the volume (V) delimited by the structural limitation (150) at least partially comprising a volume (V) present between the positive connection plate (120) and the support plate (140) .

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine mit mehreren Halbbrücken sowie eine Recheneinheit mit einer solchen Schaltungsanordnung.The present invention relates to a circuit arrangement for controlling an electrical machine with a plurality of half bridges and a computing unit with such a circuit arrangement.

Stand der TechnikState of the art

Zur Ansteuerung von Elektromotoren können geeignete Schaltungsanordnungen mit Halbbrücken oder Recheneinheiten bzw. Steuergeräte mit solchen Schaltungsanordnungen verwendet werden. Solche Schaltungsanordnungen dienen dann insbesondere als Strom- bzw. Wechselrichter. Mit steigender Anzahl an Elektromotoren beispielsweise für Anwendungen im Personenverkehr steigt auch der Bedarf an entsprechenden Schaltungsanordnungen bzw. Ansteuerschaltungen. Hierzu können in der Leistungselektronik verschiedene Arten von Halbleiterschaltern verwendet werden, z.B. Thyristoren, MOSFETs oder IGBTs.Suitable circuit arrangements with half-bridges or computing units or control devices with such circuit arrangements can be used to control electric motors. Such circuit arrangements then serve in particular as current converters or inverters. With an increasing number of electric motors, for example for applications in passenger transport, the need for corresponding circuit arrangements or control circuits also increases. Various types of semiconductor switches can be used for this in power electronics, e.g. Thyristors, MOSFETs or IGBTs.

Eine solche Schaltungsanordnung weist in der Regel mehreren sog. Halbbrücken bzw. Halbbrückenzweige auf, die jeweils zwei miteinander verbundene Halbleiterschalter, wie sie beispielsweise oben erwähnt wurden, aufweisen. Dabei weisen die Halbbrücken jeweils einen Mittelabgriff zwischen den zwei Halbleiterschaltern für einen Phasenanschluss auf, sowie einen positiven Anschluss (sog. High-Side) und einen negativen Anschluss (sog. Low-Side) auf jeweils einer Seite der Halbbrücke. Typischerweise sind die Halbbrücken und insbesondere die Halbleiterschalter dabei auf einer Trägerplatte angeordnet.Such a circuit arrangement generally has a plurality of so-called half-bridges or half-bridge branches, each of which has two interconnected semiconductor switches, as mentioned above, for example. The half bridges each have a center tap between the two semiconductor switches for a phase connection, as well as a positive connection (so-called high side) and a negative connection (so-called low side) on one side of the half bridge. The half bridges and in particular the semiconductor switches are typically arranged on a carrier plate.

Im Betrieb werden die positiven Anschlüsse dabei in aller Regel an den positiven Anschluss einer Spannungsquelle (In einem Fahrzeug z.B. der Fahrzeugbatterie) angeschlossen, die negativen Anschlüsse an den negativen Anschluss einer Spannungsquelle bzw. Masse.In operation, the positive connections are usually connected to the positive connection of a voltage source (in a vehicle, e.g. the vehicle battery), the negative connections to the negative connection of a voltage source or ground.

Im Betrieb der Schaltungsanordnung ist dann jeweils genau einer dieser Schalter einer Halbrücke leitend, während der andere sperrt. Der Mittelabgriff stellt den Wechselstromanschluss (im Motorbetrieb den Ausgang, im Gleichrichterbetrieb den Eingang) des Halbbrückenzweigs dar. Dieser kann durch die Halbleiterschalter wahlweise mit dem positiven oder dem negativen Anschluss verbunden werden.During operation of the circuit arrangement, exactly one of these switches of a half bridge is then conductive, while the other is blocking. The center tap represents the AC connection (the output in motor operation, the input in rectifier operation) of the half-bridge branch. This can be connected to the positive or negative connection using the semiconductor switch.

Im Betrieb wird zudem in der Regel hochfrequent taktend zwischen diesen beiden Zuständen gewechselt. Am Mittelabgriff ist eine Phase (Statorwicklung) der zu versorgenden elektrischen Maschine angeschlossen. Diese weist einen induktiven Charakter auf. Der Ausgangsstrom einer Phase wird also immer stetig verlaufen, lediglich der Gradient des Stroms ändert sich, und zwar abhängig vom Schaltzustand. Ist der Halbleiterschalter auf High-Side leitend, so fließt der Ausgangsstrom vom positiven Anschluss zum Ausgang, von dort zur elektrischen Maschine und von dort über weitere Halbbrücken, die die weiteren Phasen der elektrischen Maschine ansteuern, zurück zum positiven Anschluss.During operation, there is usually a high-frequency switching between these two states. A phase (stator winding) of the electrical machine to be supplied is connected to the center tap. This has an inductive character. The output current of a phase will therefore always run continuously, only the gradient of the current changes, depending on the switching state. If the semiconductor switch is conductive on the high side, the output current flows from the positive connection to the output, from there to the electrical machine and from there via further half bridges, which control the other phases of the electrical machine, back to the positive connection.

Ist hingegen der Halbleiterschalter auf Low-Side leitend, so fließt der Ausgangsstrom vom negativen Anschluss zum Ausgang, während auf der positiven Leitung kein Strom fließt. Bei einem Schaltvorgang von High-Side nach Low-Side wechselt der Strom der Phase also extrem schnell von der Leitung am positiven Anschluss zur Leitung am negativen Anschluss und umgekehrt. Dabei wird jedes Mal in einer Zwischenkreisinduktivität, die die Leiterschleife aus der Leitung am positiven Anschluss, dem Halbbrückenzweig, der Leitung am negativen Anschluss und der Versorgungsspannungsquelle unvermeidlich bildet, eine Spannung induziert.If, on the other hand, the semiconductor switch is conductive on the low side, the output current flows from the negative connection to the output, while no current flows on the positive line. When switching from high-side to low-side, the current of the phase changes extremely quickly from the line at the positive connection to the line at the negative connection and vice versa. A voltage is induced each time in an intermediate circuit inductance, which inevitably forms the conductor loop from the line at the positive connection, the half-bridge branch, the line at the negative connection and the supply voltage source.

Ein zeitliches Integral über diese Spannung ist dabei gleich dem Produkt aus Zwischenkreisinduktivität und Phasenstrom. Der Grund hierfür liegt in der Tatsache, dass das Magnetfeld in dieser Leiterschleife, das beim Betrieb aufgrund der Stromänderungen auftrifft, jeweils sein Vorzeichen wechselt, wenn der Strom der Phase von der Leitung am positiven Anschluss zu der Leitung am negativen Anschluss oder umgekehrt kommutiert.A time integral over this voltage is equal to the product of the DC link inductance and phase current. The reason for this lies in the fact that the magnetic field in this conductor loop, which occurs during operation due to the current changes, changes its sign when the current of the phase commutates from the line at the positive connection to the line at the negative connection or vice versa.

Wie hoch die maximal induzierte Spannung ist, hängt dabei von der Dauer des Schaltvorgangs ab. Je kürzer die Dauer ist, desto höher ist die induzierte Kommutierungsspannung. Da während der Schaltvorgänge aber eine hohe Verlustleistung in den Halbleiterschaltern auf High-Side bzw. Low-Side anfällt, sollte der Schaltvorgang möglichst schnell ablaufen, was zu einer relativ hohen Kommutierungsspannung führt.The maximum induced voltage depends on the duration of the switching process. The shorter the duration, the higher the induced commutation voltage. However, since a high power loss occurs in the semiconductor switches on the high-side or low-side during the switching processes, the switching process should run as quickly as possible, which leads to a relatively high commutation voltage.

Nachteilig dabei ist, dass die Kommutierungsspannung zusätzlich zur Versorgungsspannung Teil der Spannungsbelastung für den jeweils gerade abschaltenden Halbleiterschalter ist. Gerade bei Systemen mit geringer Versorgungsspannung (wie beispielsweise 12 V oder 48 V) aber hohen Ausgangsströmen, die durchaus mehrere 100 A betragen können, erhöht sich die Spannungsbelastung der Halbleiterschalter durch diese Kommutierungsspannung gegenüber der Versorgungsspannung erheblich. Dies kann dazu führen, dass teurere Halbleiterschalter mit einer höheren Spannungsfestigkeit eingesetzt werden müssen.The disadvantage here is that the commutation voltage, in addition to the supply voltage, is part of the voltage load for the semiconductor switch that is currently being switched off. Especially in systems with a low supply voltage (such as 12 V or 48 V) but high output currents, which may well be several 100 A, the voltage load on the semiconductor switches due to this commutation voltage increases considerably compared to the supply voltage. This can lead to the need to use more expensive semiconductor switches with a higher dielectric strength.

Maßgeblich bestimmt wird die Zwischenkreisinduktivität von der Fläche, die erwähnte Leiterschleife umschließt. Aus der US 2009/0085219 A1 ist es beispielsweise bekannt, diese Fläche möglichst zu minimieren. Jedoch sind der Minimierung einer solchen Fläche Grenzen gesetzt, beispielsweise durch weitere Anforderungen an die leistungselektronische Baugruppe. Solche weiteren Anforderungen sind z.B. eine gute Kühlbarkeit der Bauelemente (insbesondere der Halbleiterschalter), eine gute Fixierung der Bauelemente und Robustheit gegen Schüttelbeanspruchungen, eine Verarbeitbarkeit in der Fertigung und Herstellung von Verbindungen wie Schrauben, Löten und Schweißen, sowie das Vorsehen von Strukturen, um Längenausdehnungen bei Temperaturwechseln zu ermöglichen. Daher müssen oft Kompromisse geschlossen werden, die zu einer Erhöhung der Zwischenkreisinduktivität führen. Die Größe dieser Zwischenkreisinduktivität bewegt sich oft im zweistelligen nH-Bereich.The DC link inductance is decisively determined by the area that surrounds the conductor loop mentioned. From the US 2009/0085219 A1 For example, it is known to close this area as much as possible minimize. However, there are limits to the minimization of such an area, for example due to further requirements for the power electronic assembly. Such further requirements are, for example, good coolability of the components (in particular the semiconductor switch), good fixation of the components and robustness against shaking stresses, processability in the manufacture and manufacture of connections such as screws, soldering and welding, as well as the provision of structures with linear expansion to allow for temperature changes. Therefore, compromises often have to be made that lead to an increase in the DC link inductance. The size of this DC link inductance is often in the two-digit nH range.

Grundsätzlich bekannt ist, dass eine für die Stromänderung in einer Leiterschleife maßgebliche Induktivität gesenkt werden kann, indem ein Verbraucher oder ein Kurzschlusspfad transformatorisch (d.h. induktiv) an das vom Strom in dieser Leiterschleife verursachte Magnetfeld angekoppelt wird. Damit ist bei einer Stromänderung in der Leiterschleife nur noch eine Streuinduktivität zwischen der Leiterschleife und der transformatorisch angebundenen Last wirksam, nicht mehr jedoch die deutlich größere Hauptinduktivität der Leiterschleife.It is fundamentally known that an inductance that is decisive for the current change in a conductor loop can be reduced by coupling a consumer or a short circuit path to the magnetic field caused by the current in this conductor loop in a transformer (i.e. inductive) manner. With a current change in the conductor loop, only a leakage inductance between the conductor loop and the transformer-connected load is therefore effective, but no longer the significantly larger main inductance of the conductor loop.

In der DE 197 32 723 A1 wird eine Technik vorgeschlagen, mit deren Hilfe ein Induktivitätsanteil von Bereichen parallel zueinander verlaufender Leitungen bzw. Zuleitungen unter Nutzung dieses physikalischen Prinzips gesenkt werden kann. Dort ist hinter zwei parallel zueinander und in vertikaler Richtung verlaufende positiven und negativen Stromschienen eine elektrisch leitende Platte angeordnet. Diese Platte wird nahezu senkrecht zu ihrer Oberfläche von dem Magnetfeld durchsetzt, das durch die in den Zuleitungsschienen fließenden Ströme hervorgerufen wird. Wegen eines geringen ohmschen Widerstands der Platte wird diese das Auftreten hoher induzierter Kreisspannungen während eines Kommutierungsvorgangs unterbinden. Vielmehr werden während eines Kommutierungsvorgangs in dieser Platte Wirbelströme generiert, die der Magnetfeldänderung durch die Kommutierung in der Leistungselektronik entgegen wirken und den magnetischen Fluss, der die Platte durchsetzt, im ersten Moment konstant halten. Dadurch wird aber auch der magnetische Fluss, der in diesem Teilabschnitt die zwischen den beiden Zuleitungsschienen aufgespannte Fläche durchsetzt, konstant gehalten. In diesem Teilabschnitt wirkt nun nicht mehr die sogenannte Hauptinduktivität, sondern nur noch die Streuinduktivität zwischen der von den Zuleitungsschienen aufgespannten Leiterschleife und dem Wirbelstrompfad in der zusätzlichen Platte.In the DE 197 32 723 A1 A technique is proposed with the aid of which an inductance component of areas of lines or supply lines running parallel to one another can be reduced using this physical principle. An electrically conductive plate is arranged behind two positive and negative busbars running parallel to one another and in the vertical direction. This plate is penetrated almost perpendicular to its surface by the magnetic field, which is caused by the currents flowing in the supply rails. Because of a low ohmic resistance of the plate, this will prevent the occurrence of high induced circular voltages during a commutation process. Rather, during a commutation process, eddy currents are generated in this plate, which counteract the change in the magnetic field due to the commutation in the power electronics and keep the magnetic flux that penetrates the plate constant for the first moment. However, this also keeps the magnetic flux, which in this section passes through the area spanned between the two supply rails, constant. In this section, the so-called main inductance no longer acts, but only the leakage inductance between the conductor loop spanned by the supply rails and the eddy current path in the additional plate.

In der DE 101 03 472 A1 wird vorgeschlagen, bei einer Aufbau- und Verbindungstechnik mit sog. DBC (Direct Bonded Copper) eine leitfähige Zwischenschicht einzuführen, um eine Schirmungswirkung zu erzielen. Diese Maßnahme bewirkt vor allem die bessere Ableitung kapazitiver Störströme auf der Ausgangsseite der leistungselektronischen Schaltung und sorgt dafür, dass sich solche kapazitiven Störströme über den Zwischenkreiskondensator und nicht über Erdungsschleifen schließen. Im Wesentlichen wird hier das auch in der US 2009/0085219 A1 genutzte Prinzip der geometrischen Verkleinerung von Leiterschleifen genutzt, hier allerdings nicht, um eine Kommutierungs- bzw. Zwischenkreisinduktivität zu minimieren, sondern um die Störabstrahlung, die durch kapazitiv bedingte Störströme verursacht ist, zu reduzieren.In the DE 101 03 472 A1 It is proposed to introduce a conductive intermediate layer in a construction and connection technique with so-called DBC (Direct Bonded Copper) in order to achieve a shielding effect. This measure primarily leads to the better dissipation of capacitive interference currents on the output side of the power electronic circuit and ensures that such capacitive interference currents close via the intermediate circuit capacitor and not via ground loops. Essentially this is also the case here US 2009/0085219 A1 used principle of the geometric reduction of conductor loops, but not here to minimize commutation or DC link inductance, but to reduce the interference radiation that is caused by capacitive interference currents.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß werden eine Schaltungsanordnung sowie eine Recheneinheit mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a circuit arrangement and a computing unit with the features of the independent claims are proposed. Advantageous embodiments are the subject of the subclaims and the following description.

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dient zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors bzw. einer motorisch betreibbaren elektrischen Maschine und weist mehrere Halbbrücken auf, die jeweils zwei miteinander (elektrisch leitend) verbundene Halbleiterschalter aufweisen. Bei solchen Halbleiterschaltern kann es sich, wie eingangs bereits erwähnt, beispielsweise um Thyristoren, MOSFETs oder IGBTs handeln. Die Halbbrücken weisen dabei jeweils einen Mittelabgriff zwischen den beiden Halbleiterschaltern für einen Phasenanschluss auf. An den Phasenanschluss kann eine Phasenwicklung der elektrischen Maschine angeschlossen werden. Ebenso weisen die Halbbrücken jeweils einen positiven Anschluss und einen negativen Anschluss auf jeweils einer Seite der Halbbrücke auf. Der positive bzw. negative Anschluss ist dabei von dem Mittelabgriff aus gesehen auf der jeweils anderen Seite des entsprechenden Halbleiterschalters vorgesehen. Die genaue Anzahl der Halbrücken richtet sich dabei nach der Anzahl der Phasen der anzusteuernden elektrischen Maschine. Die Halbbrücken sind dabei auf einer Trägerplatte angeordnet, wodurch sie in Position gehalten werden können und auf welcher auch nötige Verbindungsleitungen vorgesehen sein können.A circuit arrangement according to the invention is used to control an electrical machine, in particular an electric motor or a motor-operated electrical machine, and has a plurality of half bridges, each of which has two semiconductor switches connected to one another (in an electrically conductive manner). As already mentioned at the beginning, such semiconductor switches can be, for example, thyristors, MOSFETs or IGBTs. The half bridges each have a center tap between the two semiconductor switches for a phase connection. A phase winding of the electrical machine can be connected to the phase connection. Likewise, the half bridges each have a positive connection and a negative connection on each side of the half bridge. The positive or negative connection is provided from the center tap on the other side of the corresponding semiconductor switch. The exact number of half bridges depends on the number of phases of the electrical machine to be controlled. The half bridges are arranged on a carrier plate, as a result of which they can be held in position and on which the necessary connecting lines can also be provided.

Weiterhin weist die Schaltungsanordnung eine positive Anschlussplatte auf, die von der Trägerplatte mit den Halbbrücken beabstandet und dieser gegenüberliegend - vorzugsweise parallel dazu - angeordnet ist. Die positiven Anschlüsse der Halbbrücken sind dabei mit der positiven Anschlussplatte (und damit auch miteinander) und die negativen Anschlüsse der Halbbrücken sind zumindest miteinander verbunden. Zweckmäßig und üblich ist, dass ein Kühlkörper vorgesehen ist, auf dem die Trägerplatte mit den Halbbrücken angeordnet ist, um die Halbleiterschalter zu kühlen. Denkbar ist auch, dass ein solcher Kühlköper die Trägerplatte oder auch nur einen Teil davon bildet. Der Kühlkörper ist vorzugsweise zudem mit den negativen Anschlüssen der Halbbrücken verbunden und dient damit als negativer Anschluss für die Schaltungsanordnung, während die positive Anschlussplatte als positiver Anschluss für die Schaltungsanordnung dient.Furthermore, the circuit arrangement has a positive connection plate, which is spaced apart from the carrier plate with the half bridges and is arranged opposite this, preferably parallel to it. The positive connections of the half bridges are with the positive connection plate (and thus also with each other) and the negative connections of the half bridges are at least connected to each other. It is expedient and customary that a heat sink is provided, on which the carrier plate with the half bridges is arranged in order to cool the semiconductor switches. It is also conceivable that such a heat sink forms the carrier plate or only part of it. The heat sink is preferably also connected to the negative connections of the half bridges and thus serves as a negative connection for the circuit arrangement, while the positive connection plate serves as a positive connection for the circuit arrangement.

Zweckmäßig ist es auch, wenn ein Kondensator, insbesondere ein sog. Zwischenkreiskondensator, vorgesehen ist, der dann zwischen die positive Anschlussplatte und die negativen Anschlüsse der Halbbrücken bzw. ggf. den Kühlkörper geschaltet bzw. entsprechend angebunden ist.It is also expedient if a capacitor, in particular a so-called intermediate circuit capacitor, is provided, which is then connected or connected accordingly between the positive connection plate and the negative connections of the half bridges or, if appropriate, the heat sink.

Mit einem solchen Zwischenkreiskondensator, insbesondere möglichst nahe beim entsprechenden Halbbrückenzweig, kann die Zwischenkreisinduktivität bereits reduziert werden. Dieser puffert die Versorgungsspannung nahe bei der leistungselektronischen Schaltung ab und übernimmt bei Schaltvorgängen zumindest im ersten Moment die Änderungen des Versorgungsstroms. Die Größe des Zwischenkreiskondensators richtet sich nach dessen Strombelastung und Schaltfrequenz, dessen Kapazität bewegt sich beispielsweise zwischen drei- und fünf-stelligen µF-Werten.With such an intermediate circuit capacitor, in particular as close as possible to the corresponding half-bridge branch, the intermediate circuit inductance can already be reduced. This buffers the supply voltage close to the power electronic circuit and takes over the changes in the supply current at least for the first time during switching operations. The size of the DC link capacitor depends on its current load and switching frequency, its capacitance ranges, for example, between three and five-digit µF values.

Für die Zwischenkreisinduktivität ist dann nur noch die Leiterschleife aus der Leitung am positiven Anschluss, dem Halbbrückenzweig und der Leitung am negativen Anschluss relevant, die Versorgungsspannungsquelle hingegen nicht mehr. Maßgeblich bestimmt wird die Zwischenkreisinduktivität von der Fläche, die diese Leiterschleife umschließt. Aus diesem Grund ist es an sich wünschenswert, diese Fläche so gering wie möglich zu halten.Only the conductor loop from the line at the positive connection, the half-bridge branch and the line at the negative connection is then relevant for the DC link inductance, but the supply voltage source is no longer relevant. The DC link inductance is decisively determined by the area that surrounds this conductor loop. For this reason, it is desirable in itself to keep this area as small as possible.

Durch die von der Trägerplatte und damit den Halbbrücken mit den Halbleiterschaltern beabstandete positive Anschlussplatte liegt der positive Anschluss der Schaltungsanordnung nicht auf Höhe der Trägerplatte mit den leistungselektronischen Bauelemente (oder der Kühlkörperebene), sondern mit einem Höhenabstand zur leistungselektronischen Schaltung. Die Versorgung der Halbbrücken bzw. die erwähnte Anbindung der positiven Anschlüsse der Halbbrücken an die positive Anschlussplatte erfolgt dabei vorzugsweise über vertikal von der positiven Anschlussplatte zu den leistungselektronischen Schaltungen, d.h. insbesondere den Halbleiterschaltern bzw. den Halbbrücken, verlaufende Stützen, die die Stromführung entlang dieser dritten Dimension gewährleisten. Zugleich kann über solche Stützen eine mechanische Fixierung der positiven Anschlussplatte an der Trägerplatte bzw. den Halbbrücken erfolgen. Zweckmäßig sind dabei mehrere solcher Stützen, vorzugsweise je eine von der positiven Anschlussplatte zu je einer Halbbrücke, insbesondere zu dessen Halbleiterschalter auf High-Side bzw. auf Seiten des positiven Anschlusses.Due to the positive connection plate spaced from the carrier plate and thus the half bridges with the semiconductor switches, the positive connection of the circuit arrangement is not at the level of the carrier plate with the power electronic components (or the heat sink level), but at a height distance from the power electronic circuit. The supply of the half bridges or the aforementioned connection of the positive connections of the half bridges to the positive connection plate is preferably carried out vertically from the positive connection plate to the power electronic circuits, i.e. in particular the semiconductor switches or the half bridges, extending supports which ensure the current flow along this third dimension. At the same time, such supports can be used to mechanically fix the positive connection plate to the carrier plate or the half bridges. Several such supports are expedient, preferably one each from the positive connection plate to a half bridge, in particular to its semiconductor switch on the high side or on the side of the positive connection.

Durch diesen dreidimensionalen Aufbau wird eine Platzersparnis gegenüber einer Anordnung nur in der Ebene ermöglicht. Um eine damit einhergehende, etwaige Erhöhung der Zwischenkreisinduktivität - und insbesondere der Zwischenkreisinduktivität an sich - auszugleichen bzw. die Zwischenkreisinduktivität zu reduzieren, ist nun eine ein Volumen begrenzende strukturelle Begrenzung aus elektrisch leitfähigem Material vorgesehen, die zumindest teilweise zwischen der positiven Anschlussplatte und der Trägerplatte angeordnet ist, wobei das von der strukturellen Begrenzung begrenzte Volumen ein zwischen der positiven Anschlussplatte und der Trägerplatte vorhandenes Volumen zumindest teilweise umfasst.This three-dimensional structure saves space compared to an arrangement only in the plane. In order to compensate for a possible increase in the DC link inductance - and in particular the DC link inductance per se - or to reduce the DC link inductance, a volume-limiting structural limitation made of electrically conductive material is now provided, which is at least partially arranged between the positive connection plate and the carrier plate , the volume delimited by the structural limitation at least partially comprising a volume present between the positive connection plate and the carrier plate.

Bei dieser strukturellen Begrenzung handelt es sich damit um eine, insbesondere in sich geschlossene, Anordnung elektrisch leitfähigen Materials, in der sich Wirbelströme ausbilden könnten. In diesem Sinne kann diese strukturelle Begrenzung auch als Wirbelstrommantel bezeichnet werden. Bei dieser strukturellen Begrenzung kann es sich um eine vollständig geschlossene Hülle im Sinne einer Oberfläche eines dreidimensionalen Körpers wie insbesondere eines Quaders handeln. Mit anderen Worten kann die strukturelle Begrenzung also aus mehreren, beispielsweise sechs (dünnen) miteinander verbundenen Platten bestehen. Eine solche strukturelle Begrenzung kann aber auch einstückig hergestellt sein. This structural limitation is therefore a, in particular self-contained, arrangement of electrically conductive material in which eddy currents could form. In this sense, this structural limitation can also be referred to as an eddy current jacket. This structural limitation can be a completely closed envelope in the sense of a surface of a three-dimensional body such as, in particular, a cuboid. In other words, the structural limitation can consist of several, for example six (thin) interconnected plates. Such a structural limitation can also be made in one piece.

Anstatt geschlossener Flächen kann diese strukturelle Begrenzung aber Gitter bzw. einer Gitterstrukturen aufweisen, das bzw. die sich entsprechend entlang solcher Flächen wie beispielsweise der Seitenflächen eines Quaders erstrecken. Im Extremfall kann die strukturelle Begrenzung auch nur aus den Kanten eines Quaders oder eines anderen dreidimensionalen Körpers bzw. entsprechend verlaufenden Drähten oder dergleichen bestehen. Der Zweck dieser strukturellen Begrenzung besteht dabei darin, dem entstehenden Strom zwischen der positiven Anschlussplatte und dem negativen Anschluss der Schaltung eine Art Spiegel zu bieten, in dem ein gegensinniger Strom zu dem Schaltstrom fließen kann.Instead of closed surfaces, this structural limitation can, however, have grids or a lattice structure which accordingly extend along such surfaces as, for example, the side surfaces of a cuboid. In the extreme case, the structural limitation can also consist only of the edges of a cuboid or another three-dimensional body or correspondingly running wires or the like. The purpose of this structural limitation is to offer the resulting current between the positive connection plate and the negative connection of the circuit a kind of mirror in which an opposite current can flow to the switching current.

Ebenso zweckmäßig ist es, wenn die strukturelle Begrenzung zum Teil geschlossene Flächen bzw. Platten und zum Teil eine Gitterstruktur aufweist. Denkbar sind beispielsweise zwei solcher Platten (z.B. als Ober- und Unterseite), die voneinander beabstandet und mittels Stäben oder anderer Gitterstruktur miteinander verbunden sind.It is also expedient if the structural boundary has partly closed surfaces or plates and partly a lattice structure. For example, two such plates are conceivable (e.g. as top and bottom), which are spaced apart and connected to one another by means of rods or another lattice structure.

Im Falle einer (ggf. auch nur teilweisen) Gitterstruktur kann diese insbesondere selbsttragend ausgeführt sein und/oder aber auch auf einen elektrisch nicht leitfähigen Träger (z.B. Kunststoff) aufgebracht sein. In the case of a (possibly also only partial) lattice structure, this can in particular be designed to be self-supporting and / or can also be applied to an electrically non-conductive carrier (for example plastic).

Allgemein ist die strukturelle Begrenzung somit vorzugsweise zumindest teilweise plattenförmig ausgebildet bzw. weist Platten aus elektrisch leitfähigem Material auf, die das Volumen entsprechend begrenzen, und/oder die strukturelle Begrenzung weist zumindest teilweise eine Gitterstruktur aus elektrisch leitfähigem Material, die das Volumen entsprechend begrenzt, auf bzw. die strukturelle Begrenzung ist zumindest teilweise in Art eines Gitters ausgebildet.In general, the structural limitation is thus preferably at least partially plate-shaped or has plates made of electrically conductive material that limit the volume accordingly, and / or the structural limitation at least partially has a lattice structure made of electrically conductive material that limits the volume accordingly or the structural limitation is at least partially in the form of a grid.

In dieser strukturellen Begrenzung bzw. diesem Wirbelstrommantel entstehen aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des Materials und der Anordnung (zumindest teilweise) zwischen der positiven Anschlussplatte und der Trägerplatte bei einem Schaltvorgang in einer der Halbbrücken durch induktive bzw. transformatorische Ankopplung an die erwähnte induktive Leiterschleife automatisch Wirbelströme, die die Wirkung der Stromänderung in der positiven Anschlussplatte und ggf. auch im Kühlkörper auf das Magnetfeld im Volumen zwischen der positiven Anschlussplatte und der Trägerplatte bzw. dem Kühlkörper zumindest teilweise kompensieren.In this structural limitation or eddy current jacket, eddy currents automatically arise due to the electrical conductivity of the material and the arrangement (at least partially) between the positive connection plate and the carrier plate during a switching process in one of the half bridges by inductive or transformer coupling to the aforementioned inductive conductor loop. which at least partially compensate for the effect of the current change in the positive connection plate and possibly also in the heat sink on the magnetic field in the volume between the positive connection plate and the carrier plate or the heat sink.

Dadurch findet während des Kommutierungsvorgangs in der Kommutierungsschleife zwischen Versorgungsspannungsquelle bzw. Zwischenkreiskondensator und der schaltenden Halbbrücke nahezu keine Änderung des magnetischen Flusses statt und es wird nahezu keine Kommutierungsspannung induziert. Die Flussänderung vollzieht sich nun wesentlich langsamer mit der Geschwindigkeit, mit der die durch den Schaltvorgang ausgelösten Wirbelströme auf Grund des von Null verschiedenen ohmschen Widerstands der strukturellen Begrenzung wieder abklingen. Die Wirkung der Zwischenkreisströme auf das Magnetfeld im Kommutierungskreis wird also erheblich verzögert und verlangsamt. Dadurch sinkt die Spannungsbelastung der sperrenden Leistungshalbleiter erheblich.As a result, almost no change in the magnetic flux takes place during the commutation process in the commutation loop between the supply voltage source or intermediate circuit capacitor and the switching half bridge, and almost no commutation voltage is induced. The flow change now takes place much more slowly with the speed at which the eddy currents triggered by the switching process decay again due to the non-zero ohmic resistance of the structural limitation. The effect of the intermediate circuit currents on the magnetic field in the commutation circuit is therefore considerably delayed and slowed down. This significantly reduces the voltage load on the blocking power semiconductors.

Um die Wirkung zu optimieren, ist es bevorzugt, wenn das von der strukturellen Begrenzung begrenzte Volumen das zwischen der positiven Anschlussplatte und der Trägerplatte vorhandene Volumen zumindest zu 25%, bevorzugt zumindest zu 50%, besonders bevorzugt zumindest zu 75% umfasst. Generell ist es wünschenswert, möglichst viel des zwischen der positiven Anschlussplatte und der Trägerplatte vorhandenen Volumens zu ummanteln, jedoch müssen ggf. noch bauliche Einschränkungen oder beispielsweise eine nötige Isolation der strukturellen Begrenzung gegen andere Teile der Schaltungsanordnung berücksichtigt werden. Je größer das von der strukturellen Begrenzung eingeschlossene Volumen ist, desto größer ist der oben beschriebene Effekt der Reduzierung der auftretenden Spannungsspitzen im Kommutierungskreis.In order to optimize the effect, it is preferred if the volume limited by the structural limitation comprises at least 25%, preferably at least 50%, particularly preferably at least 75% of the volume between the positive connection plate and the carrier plate. In general, it is desirable to encase as much of the volume as possible between the positive connection plate and the carrier plate, but structural restrictions or, for example, a necessary isolation of the structural limitation from other parts of the circuit arrangement may have to be taken into account. The greater the volume enclosed by the structural limitation, the greater the above-described effect of reducing the voltage peaks that occur in the commutation circuit.

In diesem Sinne ist es auch besonders bevorzugt, wenn ein Bereich der strukturellen Begrenzung, der eine Seitenfläche des Volumens begrenzt, zumindest im Wesentlichen parallel zu der positiven Anschlussplatte angeordnet ist und dabei zumindest 25%, bevorzugt zumindest 50%, besonders bevorzugt zumindest 75%, der dem Bereich zugewandten Fläche der positiven Anschlussplatte überdeckt. Damit können insbesondere die in der positiven Anschlussplatte auftretenden Ströme und die damit hervorgerufene induzierte Spannung reduziert werden. Wenngleich ein solcher Bereich der strukturellen Begrenzung auch als Gitterstruktur ausgebildet sein kann, wird im Falle einer Platte bzw. einer vollen Fläche eine größtmögliche Wirkung erreicht.In this sense, it is also particularly preferred if a region of the structural boundary, which delimits a side surface of the volume, is arranged at least substantially parallel to the positive connection plate and at least 25%, preferably at least 50%, particularly preferably at least 75%, covers the area of the positive connection plate facing the area. In particular, the currents occurring in the positive connection plate and the induced voltage caused thereby can be reduced. Although such an area of the structural boundary can also be designed as a lattice structure, the greatest possible effect is achieved in the case of a plate or a full surface.

Vorzugsweise ist dieser Bereich der strukturellen Begrenzung über eine Isolationsschicht mit der positiven Anschlussplatte verbunden, d.h. die positive Anschlussplatte, die Isolationsschicht und der Bereich der strukturellen Begrenzung - bevorzugt eine Platte - können gemeinsam bzw. als eine bauliche Einheit ausgebildet werden.This area of the structural boundary is preferably connected to the positive connection plate via an insulation layer, i.e. the positive connection plate, the insulation layer and the area of the structural boundary - preferably a plate - can be formed together or as a structural unit.

Unabhängig von der Ausführung der strukturellen Begrenzung als plattenförmig und/oder Gitterstruktur ist es vorteilhaft, die strukturelle Begrenzung (bzw. den Wirbelstrommantel) zwei- oder mehrteilig auszuführen. Beispielsweise kann der erwähnte Bereich der strukturellen Begrenzung, der über eine Isolationsschicht mit der positiven Anschlussplatte verbunden ist, einen Teil dieser zwei- oder mehrteiligen Ausbildung darstellen. Übrige Teile der strukturellen Begrenzung können dann elektrisch und zweckmäßigerweise auch mechanisch mit diesem Bereich verbunden werden.Regardless of the design of the structural boundary as a plate-like and / or lattice structure, it is advantageous to design the structural boundary (or the eddy current jacket) in two or more parts. For example, the mentioned area of the structural boundary, which is connected to the positive connection plate via an insulation layer, can form part of this two-part or multi-part design. Other parts of the structural boundary can then be connected electrically and expediently mechanically to this area.

Alternativ oder zusätzlich ist es bevorzugt, wenn auch der dem Kühlkörper zugewandte Bereich der strukturellen Begrenzung separat plattenförmig bzw. als Platte ausgeführt ist, die mit geringem Abstand zum Kühlkörper angeordnet ist. Denkbar ist beispielsweise eine Metallschicht, die zu Wärmeabfuhrzwecken in den leistungselektronischen Aufbau integriert ist, als diese untere Grundfläche des Wirbelstrommantels zu nutzen.As an alternative or in addition, it is preferred if the region of the structural boundary facing the heat sink is also designed separately as a plate or as a plate which is arranged at a short distance from the heat sink. For example, it is conceivable to use a metal layer, which is integrated in the power electronics structure for heat dissipation purposes, as this lower base area of the eddy current jacket.

Es ist auch von Vorteil, wenn das elektrisch leitfähige Material eine relative magnetische Permeabilität µr von wenigstens 1 und/oder höchstes 1,5, und insbesondere in etwa 1, aufweist, d.h. dass das elektrisch leitfähige Material nicht ferromagnetisch, sondern vielmehr paramagnetisch ist. Damit kann die nachteilige Eigenschaft vermieden werden, dass die Zwischenkreisinduktivität durch Einbringen einer Permeabilität ungewünscht erhöht wird.It is also advantageous if the electrically conductive material has a relative magnetic permeability µ r of at least 1 and / or at most 1.5, and in particular approximately 1, that is to say that the electrically conductive material is not ferromagnetic but rather paramagnetic. The disadvantageous property that the DC link inductance is undesirably increased by introducing a permeability.

Zweckmäßig ist es generell, wenn die strukturelle Begrenzung gegenüber anderen elektrisch leitfähigen Materialien der Schaltungsanordnung, insbesondere der positiven Anschlussplatte sowie dem Kühlkörper, elektrisch isoliert ist.It is generally expedient if the structural limitation is electrically insulated from other electrically conductive materials of the circuit arrangement, in particular the positive connection plate and the heat sink.

Ebenso ist es aber bevorzugt, wenn die strukturelle Begrenzung mit den negativen Anschlüsse der Halbbrücken - und damit ggf. auch mit dem Kühlkörper - verbunden ist. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Kühlkörper (oder zumindest ein Teil davon) selbst einen Teil bzw. einen Bereich der strukturellen Begrenzung bildet.However, it is also preferred if the structural limitation is connected to the negative connections of the half bridges - and thus possibly also to the heat sink. It is particularly advantageous here if the heat sink (or at least part of it) itself forms part or a region of the structural boundary.

Wird der Kühlkörper als Teil der strukturellen Begrenzung genutzt, so vereinigt er die Funktionen der Unterseite der strukturellen Begrenzung und der elektrischen Verbindung zwischen den Halbleiterschaltern auf Low-Side und dem negativen Anschluss des Zwischenkreiskondensators in sich. Folglich überlagern sich dann im Kühlkörper die Wirbelströme in der Unterseite der strukturellen Begrenzung und die Ströme von den Halbleiterschaltern auf Low-Side zum Zwischenkreiskondensator. In Summe wird nach einem Schaltvorgang von High-Side nach Low-Side einer Halbbrücke der zusätzliche Strom von den Halbleiterschaltern auf Low-Side zum negativen Anschluss des Zwischenkreiskondensators zunächst über die Wirbelstromfläche (Oberseite der strukturellen Begrenzung) fließen, die an der positiven Anschlussplatte angeordnet ist und von dort erst langsam in den Kühlkörper, der üblicherweise einen geringeren ohmschen Widerstand als die Wirbelstromfläche aufweist, kommutieren.If the heat sink is used as part of the structural limitation, it combines the functions of the underside of the structural limitation and the electrical connection between the semiconductor switches on the low side and the negative connection of the intermediate circuit capacitor. Consequently, the eddy currents in the underside of the structural limitation and the currents from the semiconductor switches on the low side to the intermediate circuit capacitor then overlap in the heat sink. In total, after switching from high-side to low-side of a half-bridge, the additional current from the semiconductor switches on the low-side to the negative connection of the intermediate circuit capacitor will initially flow over the eddy current surface (top of the structural limitation), which is arranged on the positive connection plate and only then commute slowly into the heat sink, which usually has a lower ohmic resistance than the eddy current surface.

Auch ist es denkbar, die strukturelle Begrenzung mit einer Platte und mit dem Kühlkörper (oder einem Teil davon) auszubilden, wobei die Platte über geeignete Stützen aus elektrisch leitfähigem Material mit dem Kühlkörper verbunden ist. Es ist auch möglich, Zwischenräume zwischen benachbarten Stützen ganz oder teilweise durch elektrisch leitende Flächenstücke auszufüllen oder Stützen in solche zu integrieren.It is also conceivable to form the structural boundary with a plate and with the heat sink (or a part thereof), the plate being connected to the heat sink via suitable supports made of electrically conductive material. It is also possible to completely or partially fill gaps between adjacent supports with electrically conductive surface pieces or to integrate supports into them.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn solche Stützen in Form von geschlossenen Rohren oder seitlich (entlang der Mantelfläche) offenen Rohren ausgebildet sind, die die eingangs erwähnten Stützen bzw. Verbindungen zwischen der positiven Anschlussplatte und den Halbbrücken umgeben. Damit ist eine besonders gute Ausnutzung bzw. Abdeckung des Volumens zwischen positiver Anschlussplatte und Trägerplatte bzw. Kühlkörper möglich.It is particularly expedient if such supports are designed in the form of closed tubes or open tubes laterally (along the lateral surface) which surround the supports or connections mentioned at the outset between the positive connecting plate and the half bridges. This enables particularly good utilization or coverage of the volume between the positive connection plate and the carrier plate or heat sink.

Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, weist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und vorzugsweise eine Logikeinheit (z.B. integrierte Schaltung) zur Ansteuerung der Halbleiterschalter auf. Die Recheneinheit kann insbesondere als sog. Inverter ausgebildet sein, d.h. Gleichstrom in Wechselstrom wandeln.A computing unit according to the invention, e.g. a control device of a motor vehicle, has a circuit arrangement according to the invention and preferably a logic unit (e.g. integrated circuit) for controlling the semiconductor switches. The computing unit can in particular be designed as a so-called inverter, i.e. Convert direct current to alternating current.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the accompanying drawing.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.The invention is shown schematically in the drawing using exemplary embodiments and is described below with reference to the drawing.

FigurenlisteFigure list

  • 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer bevorzugten Ausführungsform. 1 schematically shows a circuit arrangement according to the invention in a preferred embodiment.
  • 2 zeigt schematisch die Schaltungsanordnung aus 1 als Schaltbild. 2nd shows schematically the circuit arrangement 1 as a circuit diagram.
  • 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. 3rd schematically shows a circuit arrangement according to the invention in a further preferred embodiment.

Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment (s) of the invention

In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 100 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. In 2 ist ein zugehöriges Schaltbild von Teilen der Schaltungsanordnung 100 gezeigt, wobei die Darstellung in der Anordnung der einzelnen Elemente vergleichbar zu derjenigen in 1 gewählt ist. Die 1 und 2 sollen nachfolgend insofern auch übergreifend beschrieben werden.In 1 is a schematic of a circuit arrangement according to the invention 100 shown in a preferred embodiment. In 2nd is an associated circuit diagram of parts of the circuit arrangement 100 shown, the representation in the arrangement of the individual elements comparable to that in 1 is selected. The 1 and 2nd In this respect, they are also to be described comprehensively below.

Die Schaltungsanordnung 100 weist mehrere, beispielhaft vier, Halbbrücken 110 auf, wovon in 2 jedoch nur eine dargestellt ist.. Jede dieser Halbbrücken 110 weist zwei Halbeiterschalter auf, nämlich einen Halbeiterschalter HHS für High-Side und einen Halbeiterschalter HLS für Low-Side. Diese beiden Halbeiterschalter sind elektrisch leitend miteinander verbunden und weisen einen Mittelabgriff M für eine Phase bzw. einen Phasenanschluss einer elektrischen Maschine auf.The circuit arrangement 100 has several, for example four, half bridges 110 on what in 2nd however only one is shown .. each of these half bridges 110 has two semiconductor switches, namely a semiconductor switch H HS for high-side and a semiconductor switch H LS for low-side. These two semiconductor switches are connected to one another in an electrically conductive manner and have a center tap M for a phase or a phase connection of an electrical machine.

Denkbar, beispielsweise in einer anderen Schaltungsvariante, ist auch, jeweils die vier Halbleiterschalter HHS für High-Side und die vier Halbleiterschalter HLS für Low-Side parallel zu schalten und an einem Phasenanschluss zusammenzuführen.The four semiconductor switches are also conceivable, for example in another circuit variant H HS for high-side and the four semiconductor switches H LS for low-side to be connected in parallel and brought together at a phase connection.

Die Halbbrücken 110 und insbesondere die Halbleiterschalter sind auf einer Trägerplatte 140 angeordnet. Die Trägerplatte wiederum ist nahe oder ggf. auf einem Kühlkörper 130 angeordnet. Denkbar ist beispielsweise auch eine Isolationsschicht zwischen Trägerplatte 140 und Kühlkörper 130, falls nötig. Von der Trägerplatte 140 und damit den Halbbrücken 110 beabstandet und auch zumindest im Wesentlichen parallel zu der Trägerplatte 140 ist eine positive Anschlussplatte 120 vorgesehen, die aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht.The half bridges 110 and in particular the semiconductor switches are on a carrier plate 140 arranged. The carrier plate in turn is near or possibly on a heat sink 130 arranged. For example, an insulation layer between the carrier plate is also conceivable 140 and heat sink 130 , if necessary. From the carrier plate 140 and thus the half bridges 110 spaced apart and also at least substantially parallel to the carrier plate 140 is a positive connection plate 120 provided, which consists of an electrically conductive material.

Die positiven Anschlüsse A+ bzw. die positiven Seiten der Halbbrücken 110, d.h. die Anschlüsse auf Seiten des Halbeiterschalter HHS für High-Side sind miteinander und über einen Leiterabschnitt 121, der insbesondere in Form einer mechanischen Stütze ausgebildet ist, mit der positiven Anschlussplatte 120 verbunden.The positive connections A + or the positive sides of the half bridges 110 , ie the connections on the side of the semiconductor switch H HS for high-side are with each other and over a ladder section 121 , which is designed in particular in the form of a mechanical support, with the positive connection plate 120 connected.

Wie eingangs bereits erwähnt, können auch mehrere solcher Leiterabschnitte 121 bzw. Stützen vorgesehen sein, um einerseits eine bessere elektrische Anbindung und andererseits eine höhere mechanische Stabilität zu erreichen.As already mentioned at the beginning, several such conductor sections can also be used 121 or supports are provided in order to achieve a better electrical connection on the one hand and a higher mechanical stability on the other.

Die negativen Anschlüsse A- bzw. die negativen Seiten der Halbbrücken 110, d.h. die Anschlüsse auf Seiten des Halbeiterschalter HLS für Low-Side sind miteinander und mit dem Kühlkörper 130 verbunden. Dies kann auf der dem Kühlkörper 130 zugewandten Seite der Trägerplatte 140 vorgenommen sein.The negative connections A- or the negative sides of the half bridges 110 , ie the connections on the side of the semiconductor switch H LS for low-side are with each other and with the heat sink 130 connected. This can be done on the the heat sink 130 facing side of the carrier plate 140 be made.

Zwischen der positiven Anschlussplatte 120 und dem Kühlkörper 130, der mit Masse verbunden ist, ist zudem ein Kondensator C, ein sog. Zwischenkreiskondensator, vorgesehen. Die positive Anschlussplatte 120 ist dabei mit einem positiven Anschluss B+ der Schaltungsanordnung 100 verbunden bzw. bildet diesen und der Kühlkörper 130 ist mit einem negativen Anschluss B- der Schaltungsanordnung 100 verbunden bzw. bildet diesen. Dabei entspricht der negativen Anschluss B- dem Masseanschluss.Between the positive connection plate 120 and the heat sink 130 , which is connected to ground, is also a capacitor C. , a so-called intermediate circuit capacitor, is provided. The positive connection plate 120 is with a positive connection B + the circuit arrangement 100 connected or forms this and the heat sink 130 is with a negative connection B- the circuit arrangement 100 connected or forms this. The negative connection corresponds to this B- the ground connection.

Der positive Anschluss B+ und der negative Anschluss B- können dabei zudem auch entsprechende Anschlüsse einer Recheneinheit 101 bzw. eines Steuergeräts darstellen, die die Schaltungsanordnung 100 aufweist, wie in 2 schematisch angedeutet.The positive connection B + and the negative connection B- can also use corresponding connections of a computing unit 101 or a control unit that represent the circuit arrangement 100 has, as in 2nd indicated schematically.

Die Leitungen bzw. Leitungsabschnitte der Halbleiterbrücken 110, die Leitungsabschnitte 121 und insbesondere die positive Anschlussplatte 120 bilden dabei zusammen eine Leiterschleife, die eine Induktivität bzw. eine Zwischenkreisinduktivität bildet, wie sie in 2 mit L dargestellt ist.The lines or line sections of the semiconductor bridges 110 , the line sections 121 and especially the positive connection plate 120 together form a conductor loop, which forms an inductance or an intermediate circuit inductance, as shown in 2nd With L is shown.

Weiterhin ist eine strukturelle Begrenzung 150 vorgesehen, die ein Volumen V1 begrenzt bzw. umgibt. Insbesondere ist diese strukturelle Begrenzung im gezeigten Bespiel zwischen bzw. innerhalb der positiven Anschlussplatte und der Trägerplatte, d.h. in dem Zwischenraum zwischen der positiven Anschlussplatte und der Trägerplatte, vorgesehen. In diesem Sinne kann die strukturelle Begrenzung auch als Innenmantel bezeichnet werden. Im gezeigten Beispiel ist diese strukturelle Begrenzung nur mit Kanten eines etwas abgerundeten Quaders dargestellt, wobei diese Kanten entsprechend durch elektrisch leitfähiges Material, beispielsweise in Form von Drähten, gebildet werden.There is also a structural limitation 150 provided that a volume V 1 limited or surrounds. In particular, this structural limitation is provided in the example shown between or within the positive connection plate and the support plate, ie in the space between the positive connection plate and the support plate. In this sense, the structural limitation can also be referred to as an inner jacket. In the example shown, this structural limitation is shown only with edges of a somewhat rounded cuboid, these edges being formed accordingly by electrically conductive material, for example in the form of wires.

Wie oben bereits ausführlich erläutert, kann diese strukturelle Begrenzung 150 auch anderweitig ausgestaltet sein, beispielsweise mit einer feinmaschigeren Gitterstruktur oder Platten bzw. plattenförming und dergleichen. Es versteht sich auch, dass die konkrete Formgebung der strukturellen Begrenzung auch durch konstruktive Gegebenheiten der übrigen Elemente der Schaltungsanordnung beeinflusst sein kann. Insbesondere muss sie keine ebenen Oberflächen aufweisen, sondern kann Krümmungen, Einbuchtungen usw. aufweisen.As already explained in detail above, this structural limitation can 150 can also be configured in another way, for example with a finely meshed lattice structure or plates or plate-shaped and the like. It goes without saying that the specific shape of the structural limitation can also be influenced by the structural conditions of the other elements of the circuit arrangement. In particular, it does not have to have flat surfaces, but can have curvatures, indentations, etc.

Unabhängig davon umfasst dieses, von der strukturellen Begrenzung 150 begrenzte Volumen V1 zumindest teilweise - vorliegend sogar zu einem relativ großen Anteil - das Volumen zwischen der positiven Anschlussplatte und der Trägerplatte, das mit V2 bezeichnet ist.Regardless of this, this includes the structural limitation 150 limited volume V 1 at least in part - in the present case even to a relatively large extent - the volume between the positive connection plate and the carrier plate, the volume with V 2 is designated.

Insbesondere liegt damit ein Bereich der strukturellen Begrenzung 150, der eine Seitenfläche des Volumens V1 begrenzt, und zwar vorliegend die obere Seitenfläche bzw. Oberseite, zumindest im Wesentlichen parallel zu der positiven Anschlussplatte 120 und überdeckt deren dem Bereich zugewandte Fläche der positiven Anschlussplatte fast vollständig.In particular, there is an area of structural limitation 150 which is a side face of the volume V 1 limited, in this case the upper side surface or top, at least substantially parallel to the positive connection plate 120 and almost completely covers the area of the positive connection plate facing the area.

Damit wird die Zwischenkreisinduktivität L, die zu einem großen Teil durch die positive Anschlussplatte 120 hervorgerufen wird, besonders gut kompensiert, d.h. auftretende Induktionsspannungen werden besonders stark reduziert.So that the DC link inductance L which is largely due to the positive connection plate 120 is particularly well compensated, ie occurring induction voltages are reduced particularly strongly.

In 3 ist schematisch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 200 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Das in 2 gezeigte Schaltbild gilt auch für die Schaltungsanordnung 200, zumal in 2 die strukturelle Begrenzung nicht gezeigt ist.In 3rd is a schematic of a circuit arrangement according to the invention 200 shown in a further preferred embodiment. This in 2nd The circuit diagram shown also applies to the circuit arrangement 200 , especially in 2nd the structural limitation is not shown.

Die Schaltungsanordnung 200 unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung 100 gemäß 1 - von einem geringfügig anders angeordneten Leiterabschnitt 121 abgesehen - im Grunde nur durch eine andere Ausgestaltung der strukturellen Begrenzung, die hier mit 250 bezeichnet ist. Hinsichtlich der übrigen Elemente bzw. Komponenten sei auf die Beschreibung zu den 1 und 2 verwiesen, die hier entsprechend gilt.The circuit arrangement 200 differs from the circuit arrangement 100 according to 1 - From a slightly differently arranged conductor section 121 apart from - basically only by a different design of the structural limitation, which here with 250 is designated. Regarding the other elements or components, please refer to the Description to the 1 and 2nd referenced, which applies here accordingly.

Die strukturelle Begrenzung 250 weist eine Platte 251 auf, die einen Bereich der strukturelle Begrenzung 250 bildet, der eine Seitenfläche des Volumens V1 begrenzt, und zumindest im Wesentlichen parallel zu der positiven Anschlussplatte 120 ist und deren dem Bereich zugewandte Fläche der positiven Anschlussplatte fast vollständig überdeckt.The structural limitation 250 has a plate 251 on having an area of structural limitation 250 that forms a side surface of the volume V 1 limited, and at least substantially parallel to the positive connection plate 120 and the area of the positive connection plate facing the area is almost completely covered.

Außerdem bildet der Kühlkörper 130 - oder zumindest ein Teil davon - auch einen Teil der strukturellen Begrenzung 250. Die Platte 251 und der Kühlkörper 130 sind mittels Stützen 252 miteinander elektrisch leitend verbunden, womit diese Stützen auch Teil der strukturellen Begrenzung 250 sind. Denkbar ist, dass diese Stützen 252 zudem zur mechanischen Stabilisierung beitragen.It also forms the heat sink 130 - or at least part of it - also part of the structural limitation 250 . The plate 251 and the heat sink 130 are by means of supports 252 electrically connected to each other, making these supports part of the structural limitation 250 are. It is conceivable that these supports 252 also contribute to mechanical stabilization.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 2009/0085219 A1 [0011, 0014]US 2009/0085219 A1 [0011, 0014]
  • DE 19732723 A1 [0013]DE 19732723 A1 [0013]
  • DE 10103472 A1 [0014]DE 10103472 A1 [0014]

Claims (13)

Schaltungsanordnung (100, 200) zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine, mit mehreren Halbbrücken (110), die jeweils zwei miteinander verbundene Halbleiterschalter (HHS, HLS) aufweisen, wobei die Halbbrücken (110) jeweils einen Mittelabgriff (M) zwischen den zwei Halbleiterschaltern für einen Phasenanschluss sowie einen positiven Anschluss (A+) und einen negativen Anschluss (A-) auf jeweils einer Seite der Halbbrücke aufweisen, wobei die Halbbrücken (110) auf einer Trägerplatte (140) angeordnet sind, gekennzeichnet durch eine positive Anschlussplatte (120), die von der Trägerplatte (140) mit den Halbbrücken beabstandet und dieser gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die positiven Anschlüsse der Halbbrücken (110) mit der positiven Anschlussplatte (120) verbunden sind und die negativen Anschlüsse der Halbbrücken miteinander verbunden sind, und mit einer ein Volumen (V1) begrenzenden strukturellen Begrenzung (150, 250) aus elektrisch leitfähigem Material, die zumindest teilweise zwischen der positiven Anschlussplatte (120) und der Trägerplatte (140) angeordnet ist, wobei das von der strukturellen Begrenzung (150, 250) begrenzte Volumen (V1) ein zwischen der positiven Anschlussplatte (120) und der Trägerplatte (140) vorhandenes Volumen (V2) zumindest teilweise umfasst.Circuit arrangement (100, 200) for controlling an electrical machine, with a plurality of half bridges (110), each having two interconnected semiconductor switches (H HS , H LS ), the half bridges (110) each having a center tap (M) between the two semiconductor switches for a phase connection and a positive connection (A +) and a negative connection (A-) on each side of the half-bridge, the half-bridges (110) being arranged on a carrier plate (140), characterized by a positive connection plate (120), which is spaced from the carrier plate (140) with the half bridges and arranged opposite thereto, the positive connections of the half bridges (110) being connected to the positive connection plate (120) and the negative connections of the half bridges being connected to one another, and with a volume (V 1 ) delimiting structural limitation (150, 250) made of electrically conductive material, the zumi nd is partially arranged between the positive connection plate (120) and the support plate (140), the volume (V 1 ) delimited by the structural limitation (150, 250) being between the positive connection plate (120) and the support plate (140) Volume (V 2 ) at least partially includes. Schaltungsanordnung (200) nach Anspruch 1, wobei die strukturelle Begrenzung (250) zumindest teilweise plattenförmig ausgebildet ist.Circuit arrangement (200) after Claim 1 , wherein the structural boundary (250) is at least partially plate-shaped. Schaltungsanordnung (100, 200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die strukturelle Begrenzung (150) zumindest teilweise eine Gitterstruktur aus elektrisch leitfähigem Material, die das Volumen (V1) entsprechend begrenzt, aufweist.Circuit arrangement (100, 200) after Claim 1 or 2nd , wherein the structural boundary (150) at least partially has a lattice structure made of electrically conductive material, which accordingly limits the volume (V 1 ). Schaltungsanordnung (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Bereich der strukturellen Begrenzung (150, 250), der eine Seitenfläche des Volumens (V1) begrenzt, zumindest im Wesentlichen parallel zu der positiven Anschlussplatte (120) angeordnet ist und dabei zumindest 25%, bevorzugt zumindest 50%, besonders bevorzugt zumindest 75%, der dem Bereich zugewandten Fläche der positiven Anschlussplatte (120) überdeckt.Circuit arrangement (100, 200) according to one of the preceding claims, wherein a region of the structural boundary (150, 250), which delimits a side face of the volume (V 1 ), is arranged at least substantially parallel to the positive connection plate (120) and thereby at least 25%, preferably at least 50%, particularly preferably at least 75%, of the area of the positive connection plate (120) facing the area. Schaltungsanordnung (100, 200) nach Anspruch 4, wobei der Bereich der strukturellen Begrenzung (150, 250), der zumindest im Wesentlichen parallel zu der positiven Anschlussplatte (120) angeordnet ist, über eine Isolationsschicht mit der positiven Anschlussplatte (120) mechanisch verbunden ist.Circuit arrangement (100, 200) after Claim 4 The area of the structural boundary (150, 250), which is arranged at least substantially parallel to the positive connection plate (120), is mechanically connected to the positive connection plate (120) via an insulation layer. Schaltungsanordnung (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das von der strukturellen Begrenzung (150, 250) begrenzte Volumen (V1) das zwischen der positiven Anschlussplatte und der Trägerplatte vorhandene Volumen (V2) zumindest zu 25%, bevorzugt zumindest zu 50%, besonders bevorzugt zumindest zu 75%, umfasst.Circuit arrangement (100, 200) according to one of the preceding claims, wherein the volume (V 1 ) limited by the structural limitation (150, 250) is at least 25%, preferably at least, of the volume (V 2 ) present between the positive connection plate and the carrier plate 50%, particularly preferably at least 75%. Schaltungsanordnung (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das elektrisch leitfähige Material eine relative magnetische Permeabilität von wenigstens 1 und/oder höchstens 1,5 aufweist.Circuit arrangement (100, 200) according to one of the preceding claims, wherein the electrically conductive material has a relative magnetic permeability of at least 1 and / or at most 1.5. Schaltungsanordnung (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die strukturelle Begrenzung gegenüber anderen elektrisch leitfähigen Materialien der Schaltungsanordnung elektrisch isoliert ist.Circuit arrangement (100, 200) according to one of the preceding claims, wherein the structural limitation is electrically insulated from other electrically conductive materials of the circuit arrangement. Schaltungsanordnung (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die strukturelle Begrenzung mit den negativen Anschlüsse der Halbbrücken verbunden ist.Circuit arrangement (100, 200) according to one of the Claims 1 to 7 , the structural limitation being connected to the negative connections of the half bridges. Schaltungsanordnung (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin mit einem Kühlkörper (130), mit dem die negativen Anschlüsse der Halbbrücken (110) verbunden sind, wobei die Trägerplatte (140) zwischen der positiven Anschlussplatte (110) und dem Kühlkörper (130) angeordnet ist.Circuit arrangement (100, 200) according to one of the preceding claims, further comprising a heat sink (130) to which the negative connections of the half bridges (110) are connected, the carrier plate (140) between the positive connection plate (110) and the heat sink ( 130) is arranged. Schaltungsanordnung (100, 200) nach Anspruch 10, wobei zumindest ein Teil des Kühlkörpers (130) einen Teil der strukturellen Begrenzung (250) bildet.Circuit arrangement (100, 200) after Claim 10 wherein at least part of the heat sink (130) forms part of the structural boundary (250). Schaltungsanordnung (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Kondensator (C) zwischen die positive Anschlussplatte (120) und die negativen Anschlüsse der Halbbrücken (110) geschaltet ist.Circuit arrangement (100, 200) according to one of the preceding claims, wherein a capacitor (C) is connected between the positive connection plate (120) and the negative connections of the half-bridges (110). Recheneinheit (101) mit einer Schaltungsanordnung (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche.Computing unit (101) with a circuit arrangement (100, 200) according to one of the preceding claims.
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Deutsches Kupferinstitut Berufsverband e.V.: Werkstoff-Datenblatt CuFe2P - CW107C (2.1310). Düsseldorf, Stand 2005. Kap. 3.10 und Kap. 9. - Firmenschrift. https://www.kupferinstitut.de/ [abgerufen am 09.09.2019] *

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