DE102020109184A1 - Power converter for electric machine and electric machine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Stromrichter (130) für eine elektrische Maschine, mit einem Kühlkörper (140), einem Logikteil (131) und einen Leistungsteil mit mehreren Halbleiterschaltern (151), wobei die Halbleiterschalter (151) jeweils auf einem Substrat (160) aufgebracht sind, das insbesondere mittels einer Wärmeleitpaste und/oder Wärmeleitkleber oder Lot (181) auf dem Kühlkörper (140) aufgebracht ist, wobei das Substrat (160) eine erste (161) und eine zweite Metallschicht aufweist, die mittels einer elektrisch isolierenden Schicht (162) voneinander getrennt sind, wobei die Halbleiterschalter (151) mit einem Kontakt auf der ersten Metallschicht (161) aufgebracht und damit elektrisch leitend verbunden sind, und wobei die Halbleiterschalter (151) als eingehauste Halbleiterschalter ausgebildet sind, sowie eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Herstellen eines Stromrichters (130).

Figure DE102020109184A1_0000
The invention relates to power converters (130) for an electrical machine, with a heat sink (140), a logic part (131) and a power part with several semiconductor switches (151), the semiconductor switches (151) each being applied to a substrate (160), which is applied to the heat sink (140) in particular by means of a heat-conducting paste and / or heat-conducting adhesive or solder (181), the substrate (160) having a first (161) and a second metal layer, which are mutually separated by means of an electrically insulating layer (162) are separated, wherein the semiconductor switches (151) are applied with a contact on the first metal layer (161) and are connected to it in an electrically conductive manner, and the semiconductor switches (151) are designed as encased semiconductor switches, as well as an electrical machine and a method for producing a Converter (130).
Figure DE102020109184A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromrichter für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Stromrichters.The present invention relates to a converter for an electrical machine, an electrical machine and a method for producing a converter.

Stand der TechnikState of the art

Elektrische Maschinen, die motorisch und/oder generatorisch betrieben werden können, weisen neben einem Stator und einem Rotor auch einen Stromrichter (oftmals auch als Inverter bezeichnet) auf, um Phasenwicklungen des Stators entsprechend zu bestromen bzw. mit entsprechenden Gleichspannungsanschlüssen zu verbinden.Electrical machines that can be operated as a motor and / or generator have a stator and a rotor as well as a power converter (often also referred to as an inverter) in order to correspondingly energize the phase windings of the stator or to connect them to corresponding DC voltage connections.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß werden ein Stromrichter, eine elektrische Maschine sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Stromrichters mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a power converter, an electrical machine and a method for producing a power converter having the features of the independent claims are proposed. Advantageous refinements are the subject matter of the subclaims and the description below.

Die Erfindung beschäftigt sich mit Stromrichtern (auch als Inverter bezeichnet) für elektrische Maschinen, die wie üblich einen Kühlkörper, einen Logikteil und einen Leistungsteil aufweisen. Der Leistungsteil weist dabei mehrere Halbleiterschalter wie z.B. MOSFETs oder IGBTs auf, bzw. mehrere Halbleiterschalter, ggf. mit entsprechender Verschaltung etc. bilden den Leistungsteil. Während die Halbleiterschalter, insbesondere als Leistungsschalter, zum Schalten von (teils sehr hohen) Strömen dienen, können auch noch andere Bauelemente wie Stromsensoren oder Temperatursensoren vorgesehen sein, die (funktionell und auch geometrisch) dem Leistungsteil zugeordnet werden. Der Logikteil dient insbesondere zum Ansteuern der Halbleiterschalter.The invention deals with power converters (also referred to as inverters) for electrical machines which, as usual, have a heat sink, a logic part and a power part. The power section has several semiconductor switches such as MOSFETs or IGBTs, or several semiconductor switches, possibly with appropriate interconnection, etc. form the power section. While the semiconductor switches, in particular as power switches, are used to switch (sometimes very high) currents, other components such as current sensors or temperature sensors can also be provided, which (functionally and geometrically) are assigned to the power section. The logic part is used in particular to control the semiconductor switch.

Zwei oder mehr, z.B. vier, Halbleiterschalter bilden dabei in aller Regel eine Halbbrücke des Stromrichters, wobei der Stromrichter je Phase dann eine Halbbrücke aufweist. Bei einem Stromrichter für eine fünfphasige elektrische Maschine gibt es dann üblicherweise fünf Halbbrücken mit insgesamt z.B. zehn Halbleiterschaltern. Zudem ist es möglich, dass die zu einer oder mehreren Halbbrücken gehörenden Halbleiterschalter ein Modul bzw. ein Leistungsmodul bilden, das dann als eine Einheit auf dem Kühlkörper aufgebracht und befestigt ist bzw. wird.Two or more, e.g. four, semiconductor switches usually form a half-bridge of the converter, the converter then having a half-bridge for each phase. In the case of a converter for a five-phase electrical machine, there are usually five half bridges with a total of ten semiconductor switches, for example. In addition, it is possible for the semiconductor switches belonging to one or more half bridges to form a module or a power module which is then applied and fastened to the heat sink as a unit.

Hierzu wird in aller Regel eine sog. Aufbau- und Verbindungstechniken (AVT) genutzt, um die einzelnen Halbleitschalter entsprechend zu verschalten und thermisch mit dem Kühlkörper zu koppeln. Hierfür kommen z.B. Direct Bonded Copper (DBC), Active Metal Brazing (AMB) oder Insulated Metal Substrate (IMS) in Betracht. Die Halbleiterschalter werden dort als sog. „bare dies“, d.h. ohne Gehäuse, aufgebracht und ggf. mit elektrisch isolierendem Material (sog. „Mold Masse“ oder Silikongel) umgossen bzw. umspritzt. Dabei soll dieses Material insbesondere die Oberflächen der Komponenten schützen und die mechanische Stabilität beispielsweise der Bonddrähte verbessern. Zudem kann durch das Vergießen oder Umspritzen, bei entsprechender Wahl des Materials, auch die Kühlung des Halbleiterschalters verbessert werden.For this purpose, a so-called assembly and connection technology (AVT) is generally used in order to interconnect the individual semiconductor switches accordingly and to couple them thermally with the heat sink. For example, Direct Bonded Copper (DBC), Active Metal Brazing (AMB) or Insulated Metal Substrate (IMS) come into consideration. The semiconductor switches are applied there as so-called "bare dies", i.e. without a housing, and, if necessary, encapsulated or overmoulded with electrically insulating material (so-called "mold compound" or silicone gel). This material should in particular protect the surfaces of the components and improve the mechanical stability of the bonding wires, for example. In addition, with the appropriate choice of material, the casting or overmolding can also improve the cooling of the semiconductor switch.

Eine andere Möglichkeit ist, die Halbleiterschalter auf einer Leiterplatte (sog. „Printed Circuit Board“, PCB) aufzubringen. Die Halbleiterschalter werden dort als gehauste bzw. eingehauste Halbleiterschalter, d.h. mit Gehäuse, aufgebracht. Der Halbleiterschalter (bzw. dessen Kontakt, üblicherweise der sog. „Drain“) ist in der Regel auf ein Stück Kupfer gelötet, wobei sich beide Komponenten - also der Kontakt und das Stück Kupfer - innerhalb des Gehäuses befinden. Das Kupferstück dient als kurzzeitiger Wärmespeicher für hohe, kurze Peak-Leistungen aufgrund der thermischen Kapazität des Kupfers und als Wärmespreizer, da das Stück Kupfer üblicherweise größer als der Halbleiterschalter bzw. der entsprechende Chip ist und Kupfer eine sehr gute thermische Leitfähigkeit besitzt.Another possibility is to apply the semiconductor switches to a printed circuit board (PCB). The semiconductor switches are applied there as housed or encased semiconductor switches, i.e. with a housing. The semiconductor switch (or its contact, usually the so-called "drain") is usually soldered to a piece of copper, with both components - the contact and the piece of copper - being located within the housing. The piece of copper serves as a short-term heat store for high, short peak powers due to the thermal capacity of the copper and as a heat spreader, since the piece of copper is usually larger than the semiconductor switch or the corresponding chip and copper has very good thermal conductivity.

Es hat sich nun gezeigt, dass die Variante mit den Halbleiterschaltern ohne Gehäuse zwar Platzvorteile mit sich bringt und hinsichtlich der Kühlung der Halbleiterschalter besser ist, allerdings problematisch hinsichtlich der Lebensdauer der Halbleiterschalter ist. Die Variante mit PCB und eingehausten Halbleiterschaltern hingegen erfordert einen größeren Platzbedarf und ist nachteilig hinsichtlich der Kühlung, aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit der elektrisch isolierenden Schichten, mit üblicherweise FR4 als Material, auch wenn sie hinsichtlich der Lebensdauer der Halbleiterschalter besser ist.It has now been shown that the variant with the semiconductor switches without a housing has advantages in terms of space and is better in terms of cooling the semiconductor switches, but is problematic with regard to the service life of the semiconductor switches. The variant with PCB and enclosed semiconductor switches, on the other hand, requires more space and is disadvantageous in terms of cooling due to the poor thermal conductivity of the electrically insulating layers, usually with FR4 as the material, even if it is better in terms of the service life of the semiconductor switches.

Vor diesem Hintergrund schlägt die Erfindung nun vor, eingehauste bzw. gehauste Halbleiterschalter zu verwenden, die jeweils auf einem Substrat aufgebracht sind, das dann wiederum auf dem Kühlkörper aufgebracht ist, ggf. mit einer Schicht mit Wärmeleitpaste und/oder Wärmeleitkleber zwischen dem Substrat und dem Kühlkörper. Das Substrat selbst weist dabei eine erste und eine zweite Metallschicht auf, die mittels einer elektrisch isolierenden Schicht voneinander getrennt sind, wobei die Halbleiterschalter mit einem Kontakt auf der ersten Metallschicht aufgebracht und damit elektrisch leitend verbunden ist. Die zweite Metallschicht des Substrats ist dann zweckmäßigerweise auf dem Kühlkörper befestigt.Against this background, the invention now proposes to use encased semiconductor switches that are each applied to a substrate, which is then in turn applied to the heat sink, possibly with a layer of thermal paste and / or thermal adhesive between the substrate and the Heat sink. The substrate itself has a first and a second metal layer, which are separated from one another by means of an electrically insulating layer, the semiconductor switch being applied to a contact on the first metal layer and being connected to it in an electrically conductive manner. The second metal layer of the substrate is then expediently attached to the heat sink.

Dabei können auch mehrere Halbleiterschalter auf einem gemeinsamen Substrat aufgebracht sein. Bevorzugt ist es z.B., wenn der Leistungsteil wenigstens zwei Leistungsmodule umfasst, die jeweils wenigstens zwei der mehreren Halbleiterschalter umfassen, die dann auf einem gemeinsamen Substrat aufgebracht sind. Dies erlaubt eine besonders effiziente und modulare Bauweise, die auch die Herstellung erleichtert.A plurality of semiconductor switches can also be applied to a common substrate be. It is preferred, for example, if the power section comprises at least two power modules, each of which comprises at least two of the plurality of semiconductor switches, which are then applied to a common substrate. This allows a particularly efficient and modular design, which also facilitates manufacture.

Vorzugsweise weist die erste Metallschicht Kupfer auf, insbesondere besteht sie sogar aus Kupfer. Die elektrisch isolierende Schicht weist bevorzugt eine Keramik und/oder ein Harz auf, insbesondere besteht sie aus einer Keramik oder Harz. Als Keramik kommt z.B. Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Berylliumoxid in Betracht, als Harz z.B. Epoxidharz. Zweckmäßigerweise weist auch die zweite Metallschicht Kupfer auf, insbesondere besteht sie sogar aus Kupfer. Alternativ ist es auch bevorzugt, wenn die zweite Metallschicht Aluminium aufweist, insbesondere aus Aluminium besteht. Insbesondere entspricht das Substrat damit einem der vorstehend schon genannten Substrate, nämlich DBC-Substrat, AMB-Substrat oder IMS-Substrat.The first metal layer preferably has copper, in particular it even consists of copper. The electrically insulating layer preferably has a ceramic and / or a resin, in particular it consists of a ceramic or resin. As ceramic, e.g. aluminum oxide, aluminum nitride or beryllium oxide come into consideration, as resin e.g. epoxy resin. The second metal layer expediently also has copper, in particular it even consists of copper. Alternatively, it is also preferred if the second metal layer has aluminum, in particular consists of aluminum. In particular, the substrate thus corresponds to one of the substrates already mentioned above, namely DBC substrate, AMB substrate or IMS substrate.

Entgegen der eigentlichen Verwendungsart werden hier also nicht gehäuselose Halbleiterschalter auf ein solches Substrat aufgebracht, sondern eingehauste Halbleiterschalter. Dabei wird bewusst ein erhöhter Platzbedarf in Kauf genommen, da nämlich die Vorteile beider Varianten kombiniert werden können. Das Gehäuse erhöht die Lebensdauer der Halbleiterschalter, während z.B. durch das Vorstehen des schon erwähnten Stück Kupfers oder auch eines anderen Metalls eine gute Wärmespreizung innerhalb des eingehausten Halbleiterschalters erreicht werden kann. Außerdem wird durch das Substrat eine besonders gute thermische Anbindung an den Kühlkörper erreicht, und zwar besser als durch ein PCB. Ergänzend kommt nun hinzu, dass damit eine besonders effiziente und modulare Bauweise ermöglicht wird, da schon vorgefertigte, eingehauste Halbleiterschalter verwendet werden können, was insbesondere auch die Herstellung erleichtert.Contrary to the actual type of use, semiconductor switches without a housing are not applied to such a substrate here, but encased semiconductor switches. An increased space requirement is consciously accepted, since the advantages of both variants can be combined. The housing increases the service life of the semiconductor switch, while e.g. by protruding the already mentioned piece of copper or another metal, a good heat spread within the enclosed semiconductor switch can be achieved. In addition, a particularly good thermal connection to the heat sink is achieved through the substrate, better than through a PCB. In addition, a particularly efficient and modular design is now made possible, since prefabricated, encased semiconductor switches can be used, which in particular also facilitates manufacture.

Wie schon erwähnt, ist es bevorzugt, wenn der Leistungsteil wenigstens zwei Leistungsmodule umfasst, die jeweils wenigstens zwei der mehreren Halbleiterschalter umfassen, die auf einem gemeinsamen Substrat aufgebracht sind. Hierbei kann dann besonders bevorzugt wenigstens eines der Leistungsmodule von einem Rahmen umgeben sein, der auf dem Kühlkörper angeordnet und insbesondere auch integral mit dem Kühlkörper ausgebildet ist. Zweckmäßig ist es natürlich auch, wenn jedes der Leistungsmodule jeweils von einem solchen Rahmen umgeben ist. Ein solcher Rahmen kann für z.B. Wärmeleitmaterial insbesondere als Gussform, in welcher das Leistungsmodul angeordnet ist, dienen. Dann können die Halbleiterschalter des wenigstens einen Leistungsmoduls (bzw. eines jeden Leistungsmoduls) besonders einfach und effizient innerhalb des Rahmens mit einem thermisch leitfähigen Material übergossen bzw. umgossen oder umspritzt sein bzw. werden. Zweckmäßig ist hierfür ein thermisch leitfähiges Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 2 W/mK. Zweckmäßig ist ein elektrisch isolierendes Material. Denkbar, ist z.B. Silikon als Material. Durch Einbringen von Füllpartikeln z.B. aus Keramik in das Material kann die Wärmeleitfähigkeit erhöht werden, zweckmäßigerweise auf mehr als 10 W/mK. Damit wird eine besonders effektive Wärmeabfuhr bzw. Kühlung erreicht.As already mentioned, it is preferred if the power section comprises at least two power modules, each of which comprises at least two of the plurality of semiconductor switches that are applied to a common substrate. In this case, at least one of the power modules can then particularly preferably be surrounded by a frame which is arranged on the heat sink and in particular is also formed integrally with the heat sink. It is of course also useful if each of the power modules is surrounded by such a frame. Such a frame can be used, for example, for heat-conducting material, in particular as a mold in which the power module is arranged. The semiconductor switches of the at least one power module (or of each power module) can then be poured or encapsulated or extrusion-coated with a thermally conductive material in a particularly simple and efficient manner within the frame. A thermally conductive material with a thermal conductivity of more than 2 W / mK is expedient for this. An electrically insulating material is useful. Conceivable, for example, is silicone as a material. By introducing filler particles, e.g. made of ceramic, into the material, the thermal conductivity can be increased, expediently to more than 10 W / mK. A particularly effective heat dissipation or cooling is achieved in this way.

Es versteht sich, dass die Halbleiterschalter auch ohne den erwähnten Rahmen mit einem thermisch leitfähigen Material übergossen werden können, wenngleich dies dann ggf. etwas aufwändiger zu handhaben ist.It goes without saying that the semiconductor switches can also be covered with a thermally conductive material without the frame mentioned, although this may then be somewhat more complex to handle.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine elektrische Maschine mit einem Stator, einem Rotor und einem erfindungsgemäßen Stromrichter. Die elektrische Maschine und damit auch der Stromrichter können dabei insbesondere für ein 48V-Bordnetz ausgelegt sein, z.B. auch als sog. Boost-Rekuperations-Maschine. Sie kann dazu ausgebildet sein, motorisch und generatorisch betrieben zu werden, wobei der Generatorbetrieb insbesondere zur Rekuperation von Bremsenergie genutzt werden kann.The invention also relates to an electrical machine with a stator, a rotor and a power converter according to the invention. The electrical machine and thus also the converter can be designed in particular for a 48V on-board network, e.g. also as a so-called boost recuperation machine. It can be designed to be operated as a motor and a generator, with the generator operation being able to be used in particular for recuperation of braking energy.

Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Stromrichters für eine elektrische Maschine, insbesondere eines erfindungsgemäßen Stromrichters. Dabei wird auf einen Kühlkörper ein Leistungsteil mit mehreren eingehausten Halbleiterschaltern aufgebracht, indem die Halbleiterschalter jeweils auf einem Substrat aufgebracht werden, das eine erste und eine zweite Metallschicht aufweist, die mittels einer elektrisch isolierenden Schicht voneinander getrennt sind, wobei die Halbleiterschalter mit einem Kontakt auf der ersten Metallschicht aufgebracht und damit elektrisch leitend verbunden werden, und wobei das Substrat mit den Halbleiterschaltern auf dem Kühlkörper aufgebracht wird. Zudem wird ein Logikteil vorgesehen. Dessen konkrete Anordnung ist für die vorliegende Erfindung jedoch weniger relevant.The invention also relates to a method for producing a converter for an electrical machine, in particular a converter according to the invention. In this case, a power unit with several encased semiconductor switches is applied to a heat sink by applying the semiconductor switches to a substrate which has a first and a second metal layer which are separated from one another by means of an electrically insulating layer, the semiconductor switches having a contact on the first metal layer are applied and connected to it in an electrically conductive manner, and wherein the substrate with the semiconductor switches is applied to the heat sink. A logic part is also provided. Its specific arrangement is, however, less relevant to the present invention.

Hierbei werden zweckmäßigerweise jeweils wenigstens zwei Halbleiterschalter auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet, um ein Leistungsmodul zu bilden, wobei mehrere Leistungsmodule auf dem Kühlkörper aufgebracht werden.In this case, at least two semiconductor switches are expediently arranged on a common substrate in order to form a power module, with several power modules being applied to the heat sink.

Hinsichtlich der Vorteile und weiterer bevorzugter Ausgestaltungen des Verfahrens sowie auch der elektrischen Maschine sei auf die vorstehenden Ausführungen zum Stromrichter verwiesen, die hier entsprechend gelten.With regard to the advantages and further preferred refinements of the method and also of the electrical machine, reference is made to the above statements on the converter, which apply accordingly here.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention emerge 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 besch rieben.The invention is illustrated schematically in the drawing using exemplary embodiments and is described below with reference to the drawing.

FigurenlisteFigure list

  • 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine mit einem Stromrichter in einer bevorzugten Ausführungsform. 1 shows schematically an electrical machine according to the invention with a power converter in a preferred embodiment.
  • 2 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Stromrichter in einer bevorzugten Ausführungsform. 2 shows schematically a converter according to the invention in a preferred embodiment.
  • 3 zeigt einen Ausschnitt des Stromrichters aus 2 in einer detaillierten Ansicht in Draufsicht. 3 shows a section of the converter 2 in a detailed view in plan view.
  • 4 zeigt den Ausschnitt aus 3 in einer Seitenansicht. 4th shows the section 3 in a side view.

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

In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 100 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Die elektrische Maschine 100 weist einen Stator 110, einen innerhalb des Stators 110 angeordneten Rotor 120 mit einer Rotorwelle 121 sowie einen Stromrichter 130 auf. Der Stromrichter 130 wiederum weist einen Kühlkörper 140 auf. Für eine nähere Erläuterung des Stromrichters sei auf die nachfolgenden Ausführungen verwiesen.In 1 is schematically an electrical machine according to the invention 100 shown in a preferred embodiment. The electric machine 100 has a stator 110 , one inside the stator 110 arranged rotor 120 with a rotor shaft 121 as well as a power converter 130 on. The converter 130 in turn has a heat sink 140 on. For a more detailed explanation of the converter, reference is made to the following explanations.

In 2 ist schematisch ein erfindungsgemäßer Stromrichter 130 schematisch in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Der Stromrichter 130 weist einen Kühlkörper 140 auf, welcher wiederum beispielhaft Kühlrippen 141 auf der typischerweise dem Stator und Rotor zuzuwendenden Seite aufweist. Außerdem sind in der Darstellung Kondensatoren 142 zu sehen, in am Kühlkörper 140 angeordnet sind.In 2 is a schematic of a power converter according to the invention 130 shown schematically in a preferred embodiment. The converter 130 has a heat sink 140 on, which in turn exemplifies cooling fins 141 on the side typically facing the stator and rotor. Also in the illustration are capacitors 142 seen in on the heat sink 140 are arranged.

Auf dem Kühlkörper 140 sind weiterhin beispielhaft fünf Leistungsmodule 150 mit je zwei Halbleiterschaltern 151, die z.B. als MOSFETs oder IGBTs ausgebildet sein können, angeordnet. Diese Leistungsmodule weisen zudem jeweils ein Substrat 160 auf, auf dem die zwei Halbleiterschalter 151 angeordnet sind und das auf dem Kühlkörper angebracht ist. Außerdem sind die Leistungsmodule 150 jeweils innerhalb eines Rahmens 145 angeordnet, der hier integral mit dem Kühlkörper ausgebildet ist.On the heat sink 140 are still exemplary five power modules 150 with two semiconductor switches each 151 , which can be designed as MOSFETs or IGBTs, for example, arranged. These power modules also each have a substrate 160 on which the two semiconductor switches 151 are arranged and which is attached to the heat sink. Also are the power modules 150 each within a frame 145 arranged, which is formed here integrally with the heat sink.

Zusammen bilden die Leistungsmodule 150, ggf. mit weiteren elektrischen Verbindungen und sonstigen (kleineren) Bauteilen oder Komponenten den Leistungsteil.Together form the service modules 150 , possibly with further electrical connections and other (smaller) parts or components the power section.

Weiterhin ist auf dem Kühlkörper 140 ein Logikteil 131 vorgesehen, der hier grob schematisch angedeutet ist, da dessen konkrete Ausgestaltung und Anordnung für die vorliegende Erfindung nicht weiter relevant ist. Der Logikteil 131 dient insbesondere zum zeitrichtigen Ansteuern der Halbleiterschalter in Abhängigkeit von der Rotorposition. Ebenso können ggf. weitere Komponenten wie eine EMV-Einheit vorhanden sein, die hier nicht gezeigt sind.Furthermore is on the heat sink 140 a logic part 131 provided, which is indicated here roughly schematically, since its specific design and arrangement is no longer relevant for the present invention. The logic part 131 is used in particular to control the semiconductor switches at the correct time depending on the rotor position. Further components such as an EMC unit, which are not shown here, may also be present.

In 3 ist ein Ausschnitt des Stromrichters 130 aus 2, nämlich eines der Leistungsmodule 150 innerhalb des Rahmens 145, in einer detaillierten Ansicht in Draufsicht dargestellt. Hierbei ist insbesondere eine erste Metallschicht 161 des Substrats 160 zu sehen, auf der die zwei Halbleiterschalter 151 angeordnet bzw. befestigt, z.B. aufgelötet sind. Die erste Metallschicht 161 kann z.B. aus Kupfer bestehen.In 3 is a section of the converter 130 the end 2 , namely one of the power modules 150 within the frame 145 , shown in a detailed view in plan view. A first metal layer is in particular here 161 of the substrate 160 to see on which the two semiconductor switches 151 arranged or attached, for example soldered on. The first layer of metal 161 can for example consist of copper.

Diese erste Metallschicht 161 ist entsprechend den Verschaltungserfordernissen und den elektrischen Kontakten der Halbleiterschalter strukturiert und weist insbesondere mehrere Teile bzw. Abschnitte auf, die voneinander (elektrisch) getrennt sind und die mit verschiedenen Kontakten bzw. Anschlüssen der Halbleiterschalter 151 elektrisch leitend verbunden sind. Die beiden kleinen Abschnitte sind z.B. jeweils mit einem Gate-Anschluss eines Halbleiterschalters verbunden, die drei großen Abschnitte mit Drain- bzw. Source-Anschlüssen, die gleichzeitig Anschlussbereiche für Gleichspannungsplus, Statorwicklung und Gleichspannungsminus bilden.This first layer of metal 161 is structured according to the interconnection requirements and the electrical contacts of the semiconductor switches and in particular has several parts or sections which are (electrically) separated from one another and which have different contacts or connections of the semiconductor switches 151 are electrically connected. The two small sections are, for example, each connected to a gate connection of a semiconductor switch, the three large sections with drain or source connections, which at the same time form connection areas for DC voltage plus, stator winding and DC voltage minus.

Weiterhin ist eine elektrisch isolierende Schicht 162 zu sehen, auf der die erste Metallschicht aufgebracht ist und unterhalb welcher eine - hier nicht sichtbare - zweite Metallschicht vorhanden ist. Die elektrisch isolierende Schicht kann z.B. aus einer Keramik bestehen.There is also an electrically insulating layer 162 to see on which the first metal layer is applied and below which a - not visible here - second metal layer is present. The electrically insulating layer can consist of a ceramic, for example.

In 4 ist der Ausschnitt aus 3 in einer Seitenansicht dargestellt. Hier ist nun insbesondere auch die zweite Metallschicht 163 zu sehen, auf der die elektrisch isolierende Schicht 162 aufgebracht ist und die (direkt oder indirekt) auf dem Kühlkörper 140 aufgebracht bzw. befestigt ist. Diese zweite Metallschicht 163 kann ebenfalls aus Kupfer besehen, dann bildet das Substrat ein DBC-Substrat. Denkbar ist aber auch, dass die zweite Metallschicht 163 aus Aluminium besteht.In 4th the section is off 3 shown in a side view. The second metal layer is now also in particular here 163 to see on which the electrically insulating layer 162 is applied and the (directly or indirectly) on the heat sink 140 is applied or attached. This second metal layer 163 can also be made of copper, then the substrate forms a DBC substrate. But it is also conceivable that the second metal layer 163 is made of aluminum.

Zwischen der zweiten Metallschicht 163 und dem Kühlkörper 140 ist vorzugsweise eine Wärmeleitpaste 181 vorgesehen, um den thermischen Kontakt zwischen Metallschicht 163 und dem Kühlkörper 140 herzustellen. Alternativ kann die Schicht 181 auch ein Wärmeleitkleber oder Lot sein oder enthalten, um das Leistungsmodul 150 damit auf dem Kühlkörper 140 zu befestigen. Auch eine Kombination von Wärmeleitpaste und Wärmeleitkleber ist möglich.Between the second metal layer 163 and the heat sink 140 is preferably a thermal paste 181 provided to the thermal contact between metal layer 163 and the heat sink 140 to manufacture. Alternatively, the layer 181 also be or contain a thermally conductive adhesive or solder to the power module 150 so on the heat sink 140 to fix. A combination of thermal paste and thermal adhesive is also possible.

Weiterhin sind die Halbleiterschalter 151 bzw. das Leistungsmodul 150 innerhalb des Rahmens 145 mit einem thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von insbesondere mehr als 2 W/mK übergossen bzw. vergossen. Dies ermöglicht eine weitere Verbesserung der thermischen Eigenschaften. Beispielsweise kann zum Verguss Silikon verwendet werden (Wärmeleitfähigkeit mehr als 2 W/mK).Furthermore, the semiconductor switches 151 or the power module 150 within the frame 145 encapsulated or encapsulated with a thermally conductive and electrically insulating material with a thermal conductivity of in particular more than 2 W / mK. This enables a further improvement in the thermal properties. For example, silicone can be used for potting (thermal conductivity more than 2 W / mK).

Da bei gehausten bzw. eingehausten Halbleiterschaltern wie MOSFETs der Drain-Kontakt bzw. Drain-Anschluss üblicherweise teilweise frei liegt und aus Kupfer besteht, kann hier die Wärme sehr gut zusätzlich abgeführt werden.Since the drain contact or drain connection is usually partially exposed in housed or encased semiconductor switches such as MOSFETs and consists of copper, the heat can also be dissipated very well here.

Die Wärmeleitfähigkeit kann durch Einbringen von Füllpartikeln, beispielsweise Keramik, bis auf Werte größer als 10 W/mK weiter verbessert werden. Alternativ kann auch Pottingmaterial, beispielsweise aus Epoxid verwendet werden, um die mechanische Stabilität weiter zu erhöhen.The thermal conductivity can be further improved by introducing filler particles, for example ceramic, up to values greater than 10 W / mK. Alternatively, potting material, for example made of epoxy, can also be used in order to further increase the mechanical stability.

Die Verbindung zwischen Leistungsteil und Logikteil kann beispielsweise über Anschlussdrähte 170 realisiert werden.The connection between the power section and the logic section can, for example, be via connecting wires 170 will be realized.

Claims (12)

Stromrichter (130) für eine elektrische Maschine (100), mit einem Kühlkörper (140), einem Logikteil (131) und einem Leistungsteil mit mehreren Halbleiterschaltern (151), wobei die Halbleiterschalter (151) jeweils auf einem Substrat (160) aufgebracht sind, das auf dem Kühlkörper (140) aufgebracht ist, wobei das Substrat (160) eine erste (161) und eine zweite Metallschicht (163) aufweist, die mittels einer elektrisch isolierenden Schicht (162) voneinander getrennt sind, wobei die Halbleiterschalter (151) mit einem Kontakt auf der ersten Metallschicht (161) aufgebracht und damit elektrisch leitend verbunden sind, und wobei die Halbleiterschalter (151) als eingehauste Halbleiterschalter ausgebildet sind.Converter (130) for an electrical machine (100), with a heat sink (140), a logic part (131) and a power part with several semiconductor switches (151), wherein the semiconductor switches (151) are each applied to a substrate (160) which is applied to the heat sink (140), wherein the substrate (160) has a first (161) and a second metal layer (163) which are separated from one another by means of an electrically insulating layer (162), wherein the semiconductor switches (151) are applied with a contact on the first metal layer (161) and are connected to it in an electrically conductive manner, and wherein the semiconductor switches (151) are designed as encased semiconductor switches. Stromrichter (130) nach Anspruch 1, wobei die erste Metallschicht (161) Kupfer aufweist, insbesondere aus Kupfer besteht.Converter (130) Claim 1 , wherein the first metal layer (161) comprises copper, in particular consists of copper. Stromrichter (130) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elektrisch isolierende Schicht (162) eine Keramik und/oder ein Harz aufweist, insbesondere aus Keramik oder Harz besteht.Converter (130) Claim 1 or 2 , wherein the electrically insulating layer (162) comprises a ceramic and / or a resin, in particular consists of ceramic or resin. Stromrichter (130) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite Metallschicht (163) Kupfer und/oder Aluminium aufweist, insbesondere aus Kupfer und/oder Aluminium besteht.Power converter (130) according to one of the preceding claims, wherein the second metal layer (163) comprises copper and / or aluminum, in particular consists of copper and / or aluminum. Stromrichter (130) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite Metallschicht (163) des Substrats auf dem Kühlkörper (140) befestigt ist.Power converter (130) according to one of the preceding claims, wherein the second metal layer (163) of the substrate is attached to the heat sink (140). Stromrichter (130) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Leistungsteil wenigstens zwei Leistungsmodule (150) umfasst, die jeweils wenigstens zwei der mehreren Halbleiterschalter (151) umfassen, die auf einem gemeinsamen Substrat (160) aufgebracht sind.Power converter (130) according to one of the preceding claims, wherein the power part comprises at least two power modules (150), each of which comprises at least two of the plurality of semiconductor switches (151) which are applied to a common substrate (160). Stromrichter (130) nach Anspruch 6, wobei wenigstens eines der Leistungsmodule (150) von einem Rahmen (145) umgeben ist, der auf dem Kühlkörper (140) angeordnet und insbesondere integral mit dem Kühlkörper (140) ausgebildet ist.Converter (130) Claim 6 wherein at least one of the power modules (150) is surrounded by a frame (145) which is arranged on the heat sink (140) and, in particular, is formed integrally with the heat sink (140). Stromrichter (130) nach Anspruch 7, wobei die Halbleiterschalter (151) des wenigstens einen Leistungsmoduls (150) innerhalb des Rahmens (145) mit einem thermisch leitfähigen Material (180) übergossen sind.Converter (130) Claim 7 wherein the semiconductor switches (151) of the at least one power module (150) within the frame (145) are coated with a thermally conductive material (180). Stromrichter (130) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Substrat (160) mittels einer wärmeleitenden Schicht (181) auf dem Kühlkörper (140) aufgebracht ist.Power converter (130) according to one of the preceding claims, wherein the substrate (160) is applied to the heat sink (140) by means of a thermally conductive layer (181). Elektrische Maschine (100) mit einem Stator (110), einem Rotor (120) und einem Stromrichter (130) nach einem der vorstehenden Ansprüche.Electrical machine (100) having a stator (110), a rotor (120) and a power converter (130) according to one of the preceding claims. Verfahren zum Herstellen eines Stromrichters (130) für eine elektrische Maschine (100), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem auf einen Kühlkörper (140) ein Leistungsteil mit mehreren eingehausten Halbleiterschaltern (151) aufgebracht wird, indem die Halbleiterschalter (15) jeweils auf einem Substrat (160) aufgebracht werden, das eine erste (161) und eine zweite Metallschicht (163) aufweist, die mittels einer elektrisch isolierenden Schicht (162) voneinander getrennt sind, wobei die Halbleiterschalter (151) mit einem Kontakt auf der ersten Metallschicht (161) aufgebracht und damit elektrisch leitend verbunden werden, wobei das Substrat (160) mit den Halbleiterschaltern (151) auf den Kühlkörper (140) aufgebracht wird, und wobei ein Logikteil (131) vorgesehen wird.Method for producing a power converter (130) for an electrical machine (100), in particular according to one of the Claims 1 until 9 , in which a power unit with several encased semiconductor switches (151) is applied to a heat sink (140) by applying the semiconductor switches (15) each to a substrate (160) which has a first (161) and a second metal layer (163) which are separated from one another by means of an electrically insulating layer (162), the semiconductor switches (151) being applied with a contact on the first metal layer (161) and thus connected in an electrically conductive manner, the substrate (160) with the semiconductor switches (151 ) is applied to the heat sink (140), and wherein a logic part (131) is provided. Verfahren nach Anspruch 11, wobei jeweils wenigstens zwei Halbleiterschalter (151) auf einem gemeinsamen Substrat (160) angeordnet werden, um ein Leistungsmodul zu bilden, und wobei mehrere Leistungsmodule auf dem Kühlkörper (140) aufgebracht werden.Procedure according to Claim 11 , wherein in each case at least two semiconductor switches (151) are arranged on a common substrate (160) in order to form a power module, and wherein several Power modules are applied to the heat sink (140).
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