DE102020130991A1 - Halbbrückenmodul mit präziser Temperaturerfassung - Google Patents

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Abstract

Offenbart ist ein Halbbrückenmodul, aufweisend zwei Schalteinheiten, welche jeweils aus mehreren parallel und/oder seriell geschalteten Transistoren, insbesondere IGBTs oder MOSFETs, bestehen, wobei die Transistoren auf einem ersten Substrat angeordnet sind, wobei das Halbbrückenmodul eine Temperatursensormatrix mit einer Vielzahl von Temperatursensoren aufweist, und wobei die Temperatursensoren zumindest bereichsweise thermisch mit den Transistoren verbunden sind. Des Weiteren ist eine Temperatursensormatrix offenbart.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Halbbrückenmodul aufweisend zwei Schalteinheiten, welche jeweils aus mehreren parallel und/oder seriell geschalteten Transistoren, insbesondere IGBTs oder MOSFETs, bestehen sowie eine Temperatursensormatrix.
  • Derzeit hergestellte Elektrofahrzeuge verfügen zum Antreiben der elektrischen Maschine über einen Antriebsumrichter bzw. Inverter, welcher den Gleichstrom der Traktionsbatterie in einen für die elektrische Maschine geeigneten Wechselstrom oder Drehstrom wandelt. Ein derartiger Antriebsumrichter besteht im Wesentlichen aus einem Zwischenkreiskondensator, einem Leistungshalbleiter, einer Treiberplatine und einer Controllerplatine. Bevorzugterweise werden Antriebsumrichter für Elektrofahrzeuge dreiphasig aufgebaut.
  • Der Leistungshalbleiter ist oftmals als ein Brückengleichrichter, beispielsweise als ein sogenannter B6 Brückengleichrichter, ausgestaltet und weist eine Vielzahl von Transistoren auf. Aufgrund der geringen Ausbeute bzw. dem hohen Ausschuss in der Herstellung werden insbesondere Silizium Carbid MOSFET Powermodule in Halbbrückenkonfiguration bzw. als Halbbrückenmodule gefertigt. Dadurch kann der Ausschuss in der Produktion gesenkt werden. Ein Leistungshalbleiter kann somit aus drei Halbbrückenmodulen aufgebaut sein.
  • Um den sicheren Betrieb des Leistungshalbleiters zu gewährleisten, wird ein Temperatursensor eingesetzt, um die Temperatur der Transistoren zu überwachen. Bei einem als IGBT ausgestalteten Transistor liegt die maximal zulässige Junction Temperatur bei 165°C. Um künftig den Wirkungsgrad des Antriebsumrichters zu steigern, werden als Transistoren Silizium Carbid MOSFETs eingesetzt. Diese erzielen aufgrund von geringeren Schaltverlusten und dem niedrigen Kanalwiderstand Effizienzvorteile im Teillastbereich. Darüber hinaus können derartige Transistoren mit einer maximalen Junction Temperatur von 200°C betrieben werden.
  • Die Transistoren des Leistungshalbleiters im Bereich der Grenztemperatur zu betreiben setzt jedoch eine präzise Temperaturmessung der jeweiligen Transistoren voraus. Üblicherweise wird pro Halbbrückenmodul ein Temperatursensor verwendet. Dadurch, dass die Temperaturmessung innerhalb des Halbbrückenmoduls lediglich an einer Stelle stattfindet, kann die tatsächliche Chiptemperatur der jeweiligen Transistoren basierend auf einer Punktmessung modelliert bzw. abgeschätzt werden. Eine derartige Modellierung der Temperaturverteilung ist üblicherweise toleranz- und fehlerbehaftet.
  • Um dennoch einen sicheren Betrieb der Transistoren im Leistungshalbleiter zu gewährleisten, werden hinsichtlich Betriebstemperatur ausreichende Sicherheiten vorgehalten, sodass eine kostenintensive Überdimensionierung des Leistungshalbleiters und des gesamten Antriebumrichters resultiert.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbbrückenmodul mit einer präzisen Temperaturmessung sowie eine Temperatursensormatrix für ein Halbbrückenmodul bereitzustellen, welche eine Temperaturverteilung innerhalb des Halbbrückenmoduls erfassen kann.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Halbbrückenmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Temperatursensormatrix mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Das erfindungsgemäße Halbbrückenmodul weist zwei Schalteinheiten auf, welche jeweils aus mehreren parallel und/oder seriell geschalteten Transistoren, insbesondere IGBTs oder MOSFETs, bestehen. Die Transistoren sind auf einem ersten Substrat angeordnet. Erfindungsgemäß weist das Halbbrückenmodul eine Temperatursensormatrix mit einer Vielzahl von Temperatursensoren auf, wobei die Temperatursensoren zumindest bereichsweise thermisch mit den Transistoren verbunden sind.
  • Durch den Einsatz der Temperatursensormatrix kann die Temperaturverteilung innerhalb des Halbbrückenmoduls und der jeweiligen Transistoren präzise erfasst werden. Eine Abschätzung der Temperaturverteilung basierend auf einer Softwaresimulation ist somit nicht mehr notwendig. Durch die präzise, messtechnische Erfassung der Einzel-Chip-Temperaturen der Transistoren kann die Auslegung des Leistungshalbleiters, welcher aus mehreren Halbbrückenmodulen besteht, deutlich optimiert werden.
  • Die Maßnahme kann entweder zu einer Reduzierung der Anzahl der eingesetzten Transistoren und somit zu einer Kostensenkung oder bei gleichbleibender Konfiguration zu einer Leistungssteigerung führen, da die Transistoren näher an ihrer Temperaturgrenze betrieben werden können.
  • Weiterhin ist aufgrund der präzisen Temperaturüberwachung ein kontrollierter Betrieb der Transistoren im Bereich der maximal zulässigen Junction Temperatur möglich. Dadurch könnte ein Kühlsystem des Fahrzeuges deutlich verkleinert und die Effizienz bzw. die Reichweite gesteigert werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Temperatursensoren der Temperatursensormatrix individuell oder sequentiell über Anschlussterminals auslesbar. Durch diese Maßnahme ist ein Auslesen der jeweiligen Temperatursensoren abhängig von der benötigten Messfrequenz möglich. Ein gleichzeitiges Auslesen der Temperatursensoren wird durch eine individuelle Anbindung der Temperatursensoren durch die Anschlussterminals bzw. die Anschlussleitungen ermöglicht.
  • Bei einem sequentiellen Auslesen der Temperatursensoren können mehrere Temperatursensoren ein Anschlussterminal gemeinsam verwenden, wodurch die Anzahl der Anschlussterminals verringert wird. Beispielsweise können zwei oder drei Temperatursensoren ein gemeinsames Anschlussterminal miteinander teilen, um ein sequentielles Auslesen der Messwerte der jeweiligen Temperatursensoren zu ermöglichen.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform ist ein Anschlussterminal elektrisch mit mindestens einem Temperatursensor verbunden. Es werden pro Temperatursensor zwei Anschlussterminals als elektrische Anschlussleitungen benötigt. Die flexible Anbindung der Temperatursensoren ermöglicht die gemeinsame Nutzung von Anschlussterminals, durch welche der Herstellungsaufwand der Temperatursensormatrix verringert wird.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Temperatursensoren der Temperatursensormatrix als Heißleiter, als Kaltleiter oder als Thermoelemente ausgestaltet. Durch diese Maßnahme können beliebig ausgestaltete Temperatursensoren für die Messung und Überwachung der Junction Temperatur der Transistoren eingesetzt werden. Dabei ist eine kosteneffiziente Herstellung der Temperatursensormatrix möglich.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform sind die Temperatursensoren der Temperatursensormatrix im Wesentlichen deckungsgleich mit den Transistoren und/oder Verbindungsleitungen der Transistoren des Halbbrückenmoduls angeordnet. Eine derartige Anordnung der Temperatursensoren minimiert die Transferpfade des Wärmetransports zwischen den Transistoren bzw. Verbindungsleitungen und den Temperatursensoren. Hierdurch kann eine besonders reaktionsschnelle Temperaturmessung der Temperaturverteilung entlang des Halbbrückenmoduls mit minimalen Zeitverzögerungen realisiert werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Temperatursensormatrix in Form eines Gitters aus Anschlussterminals und Temperatursensoren oder in Form eines zweiten Substrats ausgestaltet, wobei die Temperatursensormatrix parallel zu dem ersten Substrat angeordnet ist. Durch diese Maßnahme ist eine schnelle und kompakte Herstellung der Temperatursensormatrix möglich. Darüber hinaus kann die Temperatursensormatrix besonders präzise gegenüber dem ersten Substrat ausgerichtet werden.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Temperatursensormatrix gemeinsam mit den Transistoren des Halbbrückenmoduls in einer Vergussmasse vergossen, wobei die Anschlussterminals der Temperatursensormatrix aus der Vergussmasse hinausgeführt sind. Um die einzelnen Chiptemperaturen bzw. Junction Temperaturen der jeweiligen Transistoren im Betrieb des Fahrzeugs messtechnisch präzise zu erfassen, werden die Transistoren und die Temperatursensormatrix gemeinsam in einem Mold vergossen. Die Temperatursensormatrix wird direkt über den Halbleiter-Chips bzw. Transistoren vor dem Verguss positioniert. Die jeweiligen Anschlussterminals werden hierfür nach außen geführt und können außerhalb der Vergussmasse elektrisch abgegriffen werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Temperatursensormatrix bereitgestellt. Die Temperatursensormatrix kann vorzugsweise für ein erfindungsgemäßes Halbbrückenmodul eingesetzt werden. Die Temperatursensormatrix weist mehrere Temperatursensoren und mehrere Anschlussterminals auf. Die Anschlussterminals sind mit den Temperatursensoren elektrisch leitend verbunden, wobei jedes Anschlussterminal mit mindestens einem Temperatursensor verbunden ist.
  • Durch die präzise, messtechnische Erfassung der Einzel-Chip-Temperaturen mit Hilfe der Temperatursensoren kann die Auslegung von Leistungshalbleitern im automobilen Bereich optimiert werden. Dies verhindert eine kostenintensive Überdimensionierung der Komponenten und führt somit zu einer Kostensenkung. Bei gleichbleibender Konfiguration ist eine Leistungssteigerung möglich, da die Transistoren, insbesondere SiC MOSFETs, näher an ihrer Temperaturgrenze betrieben werden können.
  • Weiterhin wird durch diese Maßnahme die SiC-Technologie optimal genutzt, um die Halbleiter der Transistoren an ihrer maximal zulässigen Chiptemperatur von 200°C zu betreiben. Dadurch muss eine geringere Wärmemenge abgeführt werden, wodurch das Kühlsystem des Fahrzeuges verkleinert wird. Folglich ist eine Effizienz- und Reichweitensteigerung von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen möglich.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:
    • 1 eine Temperatursensormatrix gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel und
    • 2 ein erfindungsgemäßes Halbbrückenmodul mit einer Temperatursensormatrix aus 1.
  • Die 1 zeigt eine Temperatursensormatrix 1 gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Die Temperatursensormatrix 1 weist mehrere Temperatursensoren 2, 3, 4 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind fünfzehn Temperatursensoren 2, 3, 4 vorgesehen.
  • Die Temperatursensoren 2, 3, 4 sind beispielhaft als Kaltleiter bzw. als PTC-Thermistoren ausgeführt und weisen somit einen positiven Temperaturkoeffizienten auf. Dabei ist der elektrische Widerstand direkt von der Temperatur abhängig. Alternativ ist der Einsatz von Temperatursensoren 2, 3, 4 der Temperatursensormatrix 1 in Form von Heißleitern, Thermoelementen und dergleichen möglich.
  • Die Temperatursensoren 2, 3, 4 sind in drei Reihen angeordnet und durch Anschlussterminals bzw. die Anschlussleitungen A-L elektrisch gekoppelt. An jedem Temperatursensor 2, 3, 4 sind jeweils zwei Anschlussterminals A-L verbunden, um den elektrischen Widerstand der Temperatursensoren 2, 3, 4 zu messen.
  • Zum Miniminieren der Anzahl der verwendeten Anschlussleitungen zu den Temperatursensoren 2, 3, 4 können jeweils zwei oder drei Temperatursensoren 2, 3, 4 eine Anschlussleitung A-E, H-L miteinander teilen. Durch eine derartige Anordnung sind die Temperatursensoren 2, 3, 4 teilweise seriell und teilweise parallel miteinander über die Anschlussleitungen A-E, H-L verbunden.
  • Die Temperatursensormatrix 1 kann auf einem zweiten Substrat 6 oder als ein Drahtgerüst aus den Anschlussterminals A-L ausgestaltet sein. Hierdurch kann die Temperatursensormatrix 1 zum Messen einer Temperaturverteilung eingesetzt werden. Um beispielsweise einzelne Chiptemperaturen von in 2 gezeigten Transistoren 16, 17, 18 im Betrieb eines Elektrofahrzeugs messtechnisch genau zu erfassen, wird die Temperatursensormatrix 1 parallel zu den Transistoren 16, 17, 18 angeordnet. Die Temperatursensormatrix 1 wird im beschriebenen Ausführungsbeispiel direkt über den Halbleiter-Chips bzw. den Transistoren 16, 17, 18 angebracht und mit diesen gemeinsam vergossen. Die jeweiligen Anschlussterminals A-L werden hierfür nach außen geführt und können außerhalb einer Vergussmasse 22 abgegriffen werden.
  • Durch die Abgriffe A-L ist es im Betrieb möglich, jede Sensorstrecke bzw. jeden Temperatursensor 2, 3, 4 sequentiell anzusteuern und somit die Temperatur des jeweiligen Temperatursensors 2, 3, 4 zu erfassen.
  • In der 2 ist ein erfindungsgemäßes Halbbrückenmodul 8 mit einer Temperatursensormatrix 1 aus 1 dargestellt. Die Temperatursensormatrix 1 ist zum Veranschaulichen der Anordnung schematisch auf eine erste Platine 10 des Halbbrückenmoduls 8 gelegt und ermöglicht die Sicht auf die Komponenten der ersten Platine 10. Die 2 zeigt darüber hinaus eine interne Chip-Konfiguration in der Draufsicht inklusive der dazugehörigen Anschlüsse.
  • Das Halbbrückenmodul 8 weist zwei Schalteinheiten 12, 14 auf, welche jeweils aus mehreren parallel und/oder seriell geschalteten Transistoren 16, 17, 18 bestehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Transistoren 16, 17, 18 als SiC MOSFETs ausgestaltet und können mit einer maximalen Junction Temperatur von 200°C betrieben werden.
  • Zum Veranschaulichen der Unterschiede zwischen dem erfindungsgemäßen Halbbrückenmodul 8 und einem Halbbrückenmodul gemäß dem Stand der Technik ist nur auf einer zweiten Schalteinheit 14 die erfindungsgemäße Temperatursensormatrix 1 angeordnet.
  • Die erste Schalteinheit 12 entspricht dem Stand der Technik und weist einen einzigen Temperatursensor 20 auf, welcher auf der ersten Platine 10 neben den Transistoren 16 einer ersten Schalteinheit 12 angeordnet ist. Hierdurch ist eine präzise Messung der Temperaturen von jeweiligen Transistoren 16 nicht möglich.
  • Durch die Positionierung bzw. das Auflegen der Temperatursensormatrix 1 auf die Transistoren 17, 18 der zweiten Schalteinheit 14 kann die Temperaturverteilung und die Temperaturen der Transistoren 17, 18 unmittelbar gemessen werden.
  • Die Temperatursensoren 2, 3, 4 der Temperatursensormatrix 1 sind zumindest bereichsweise thermisch mit den Transistoren 17, 18 verbunden. Beispielsweise können die Temperatursensoren 2, 3, 4 über eine Vergussmasse 22 oder durch direkten Körperkontakt thermisch mit den Transistoren 17, 18 gekoppelt sein.
  • Die Temperatursensoren 2, 3, 4 sind innerhalb der Temperatursensormatrix 1 an eine Position, Anzahl und Ausrichtung der Transistoren 17, 18 angepasst. Die Temperatursensoren 2, 3, 4 der Temperatursensormatrix 1 sind somit im Wesentlichen deckungsgleich mit den Transistoren 17, 18 und/oder Verbindungsleitungen 24 der Transistoren 17, 18 des Halbbrückenmoduls 8.
  • Für eine Messung der Temperatur eines Transistors 17 können die Anschlussterminals H und I der Temperatursensormatrix 1 ausgewertet werden. Die Auswertung der Anschlussterminals D und I ermöglicht die thermische Überwachung der Verbindungsleitungen 24 des Transistors 17.
  • Die weiteren aus der Vergussmasse 22 hinausgeführten Anschlüsse Drain, Gate, Source ermöglichen eine Ansteuerung der Transistoren 16, 17, 18. Die Anschlüsse DC+, DC- dienen der Zuleitung an eine nicht dargestellte Batterie, welche als Gleichstromquelle dient. Die von der Batterie bereitgestellte Spannung wird in eine Wechselspannung gewandelt, welche am Anschluss AC ausgegeben wird. Hierdurch kann mit Hilfe des Halbbrückenmoduls 8 ein nicht dargestellter Elektromotor des Fahrzeugs betrieben werden, wenn beispielsweise aus drei Halbbrückenmodulen 8 eine B6-Schaltung verwendet wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Temperatursensormatrix
    2
    Temperatursensor einer ersten Reihe
    3
    Temperatursensor einer zweiten Reihe
    4
    Temperatursensor einer dritten Reihe
    6
    zweites Substrat
    8
    Halbbrückenmodul
    10
    erstes Substrat
    12
    erste Schalteinheit
    14
    zweite Schalteinheit
    16
    Transistor der ersten Schalteinheit
    17
    Transistor der zweiten Schalteinheit
    18
    weiterer Transistor der zweiten Schalteinheit
    20
    Temperatursensor gemäß Stand der Technik
    22
    Vergussmasse
    24
    Verbindungsleitung eines Transistors
    A-L
    Anschlussterminals der Temperatursensormatrix

Claims (8)

  1. Halbbrückenmodul (8) aufweisend zwei Schalteinheiten (12, 14), welche jeweils aus mehreren parallel und/oder seriell geschalteten Transistoren (16, 17, 18), insbesondere IGBTs oder MOSFETs, bestehen, wobei die Transistoren (16, 17, 18) auf einem ersten Substrat (10) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbbrückenmodul (8) eine Temperatursensormatrix (1) mit einer Vielzahl von Temperatursensoren (2, 3, 4) aufweist, wobei die Temperatursensoren (2, 3, 4) zumindest bereichsweise thermisch mit den Transistoren (16, 17, 18) verbunden sind.
  2. Halbbrückenmodul nach Anspruch 1, wobei die Temperatursensoren (2, 3, 4) der Temperatursensormatrix (1) individuell oder sequentiell über Anschlussterminals (A-L) auslesbar sind.
  3. Halbbrückenmodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Anschlussterminal (A-L) elektrisch mit mindestens einem Temperatursensor (2, 3, 4) verbunden ist.
  4. Halbbrückenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Temperatursensoren (2, 3, 4) der Temperatursensormatrix (1) als Heißleiter, als Kaltleiter oder als Thermoelemente ausgestaltet sind.
  5. Halbbrückenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Temperatursensoren (2, 3, 4) der Temperatursensormatrix (1) im Wesentlichen deckungsgleich mit den Transistoren (16, 17, 18) und/oder Verbindungsleitungen (24) der Transistoren (16, 17, 18) des Halbbrückenmoduls (8) angeordnet sind.
  6. Halbbrückenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Temperatursensormatrix (1) in Form eines Gitters aus Anschlussterminals (A-L) und Temperatursensoren (2, 3, 4) oder in Form eines zweiten Substrats (6) ausgestaltet ist, wobei die Temperatursensormatrix (1) parallel zu dem ersten Substrat (10) angeordnet ist.
  7. Halbbrückenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Temperatursensormatrix (1) gemeinsam mit den Transistoren (16, 17, 18) des Halbbrückenmoduls (8) in einer Vergussmasse (22) vergossen ist, wobei die Anschlussterminals (A-L) der Temperatursensormatrix (1) aus der Vergussmasse (22) hinausgeführt sind.
  8. Temperatursensormatrix (1), insbesondere für ein Halbbrückenmodul (8) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend mehrere Temperatursensoren (2, 3, 4) und aufweisend mehrere Anschlussterminals (A-L), welche mit den Temperatursensoren (2, 3, 4) elektrisch leitend verbunden sind, wobei jeder Anschlussterminal (A-L) mit mindestens einem Temperatursensor (2, 3, 4) verbunden ist.
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