DE102020204358A1 - Halbbrückenmodul für einen Inverter eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs und Inverter für einen elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs - Google Patents

Halbbrückenmodul für einen Inverter eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs und Inverter für einen elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs Download PDF

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Ivonne Trenz
Manuel Raimann
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ZF Friedrichshafen AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbbrückenmodul (1) für einen Inverter (20) eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, umfassend ein Substrat (2), auf dem Substrat (2) angeordnete Halbleiterschaltelemente (3), Leistungsanschlüsse (4, 5, 6) und Signalanschlüsse (7), wobei die Signalanschlüsse (7) derart an die Halbleiterschaltelemente (3) elektrisch angebunden sind, dass die Halbleiterschaltelemente (3) über die Signalanschlüsse (7) schaltbar sind und wobei die Leistungsanschlüsse (4, 5, 6) derart an die Halbleiterschaltelemente (3) elektrisch angebunden sind, dass die Halbleiterschaltelemente (3) eine elektrische Leistungsübertragung zwischen den Leistungsanschlüssen (4, 5, 6) zulassen oder unterbrechen. Das erfindungsgemäße Halbbrückenmodul (1) zeichnet sich dadurch aus, dass die Halbleiterschaltelemente (3) teilweise über Bonddrähte (10) und teilweise über Leiterrahmen(11) elektrisch kontaktiert sind. Die Erfindung betrifft weiterhin einen entsprechenden Inverter (20).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Halbbrückenmodul für einen Inverter eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie einen entsprechenden Inverter.
  • Im Stand der Technik sind reine Elektrofahrzeuge sowie Hybridfahrzeuge bekannt, welche ausschließlich bzw. unterstützend von einer oder mehreren elektrischen Maschinen als Antriebsaggregate angetrieben werden. Um die elektrischen Maschinen solcher Elektrofahrzeuge bzw. Hybridfahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen, umfassen die Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge elektrische Energiespeicher, insbesondere wiederaufladbare elektrische Batterien. Diese Batterien sind dabei als Gleichspannungsquellen ausgebildet, die elektrischen Maschinen benötigen in der Regel jedoch eine Wechselspannung. Daher ist zwischen eine Batterie und eine elektrische Maschine eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs üblicherweise ein Leistungselektronik mit einem sog. Inverter geschaltet.
  • Derartige Inverter umfassen üblicherweise Halbleiterschaltelemente, die typischerweise aus Transistoren gebildet sind. Dabei ist es bekannt, die wiederum Halbleiterschaltelemente in unterschiedlichen Integrationsgraden bereitzustellen, und zwar entweder als diskrete Einzelschalter mit einem geringen Integrationsgrad, jedoch hoher Skalierbarkeit, als Brückenmodule mit einem hohen Integrationsgrad, jedoch geringer Skalierbarkeit, sowie als Halbbrückenmodule, die hinsichtlich Integrationsgrad und Skalierbarkeit zwischen Einzelschaltern und Brückenmodulen rangieren. Drei Halbbrückenmodule bilden dabei typischerweise einen Inverter, so dass der Inverter also dreiphasig ausgebildet ist.
  • In der DE 10 2006 050 291 A1 wird eine elektronische Baugruppe offenbart, die einen Halbleiterleistungsschalter und eine Halbleiterdiode umfasst. Dabei umfasst eine untere Seite des Halbleiterleistungsschalters einen auf ein Chipfeld eines Trägerstreifens montierten Ausgangskontakt und eine obere Seite des Halbleiterleistungsschalters umfasst einen Steuerungskontakt und einen Eingangskontakt. Ein Anodenkontakt der Halbleiterdiode ist auf dem Eingangskontakt des Halbleiterleistungsschalters angeordnet und elektrisch mit diesem verbunden. Ein Kathodenkontakt der Diode wird elektrisch mit dem Ausgangskontakt des Leistungshalbleiterschalters verbunden.
  • Die DE 10 2006 008 632 A1 offenbart ein Leistungshalbleiterbauteil, das einen Flachleiterrahmen, mindestens ein vertikales Leistungshalbleiterbauelement und mindestens ein weiteres elektronisches Bauteil umfasst. Das vertikale Leistungshalbleiterbauelement weist eine erste Seite und eine zweite Seite auf. Mindestens eine erste Kontaktfläche und mindestens eine Steuerungskontaktfläche sind auf der ersten Seite angeordnet und eine zweite Kontaktfläche ist auf der zweiten Seite angeordnet. Das mindestens eine weitere elektronische Bauteil ist auf der zweiten Kontaktfläche des vertikalen Leistungshalbleiterbauelements angeordnet.
  • Aus der DE 10 2015 012 915 A1 ist ein Halbleitermodul mit mindestens einem ersten Halbleiterelement bekannt, das eine erste Seite mit mindestens einer ersten Elektrode und eine zweite Seite mit mindestens einer zweiten Elektrode aufweist, und mindestens einem zweiten Halbleiterelement, das eine erste Seite mit mindestens einer ersten Elektrode und eine zweite Seite mit mindestens einer zweiten Elektrode aufweist. Das erste Halbleiterelement ist über dem zweiten Halbleiterelement angeordnet und zwischen dem ersten Halbleiterelement und dem zweiten Halbleiterelement ist eine elektrisch leitende Verbindung angeordnet, wobei die mindestens eine zweite Elektrode des ersten Halbleiterelements mit der elektrisch leitenden Verbindung mechanisch und elektrisch verbunden ist und die mindestens eine erste Elektrode des zweiten Halbleiterelements mit der elektrisch leitenden Verbindung mechanisch und elektrisch verbunden ist.
  • Aus der noch unveröffentlichten DE 10 2019 220 010.9 der Anmelderin ist ein Halbbrückenmodul bekannt, bei dem die Signalanschlüsse und die Leistungsanschlüsse) alle an einer gemeinsamen Seite des Substrats angeordnet sind und von einer Moldmasse umgeben sind. Die Leistungsanschlüsse und die Signalanschlüsse sind allesamt von der gemeinsamen Seite des Substrats aus zugänglich, derart, dass sich die Leistungsanschlüsse und die Signalanschlüsse von der gemeinsamen Seite des Substrats aus gesehen durch die Vergussmasse hindurch erstrecken und aus ihrer Durchtrittrichtung durch die Vergussmasse gesehen innerhalb einer von dem Substrat aufgespannten Grundfläche angeordnet sind.
  • Je nach konkreter Anordnung der Halbleiterschaltelemente auf dem zugrunde liegenden Substrat leiden die bekannten Inverter unter verschiedenen Nachteilen, wie beispielsweise einer schlechten Wärmeabfuhr, einer ungleichen Stromverteilung oder einem hohen Bauraumbedarf. Eine Verbesserun der Wärmeabfuhr führt dabei typischerweise zu einem höheren Bauraumbedarf und umgekehrt. Ebenso führt eine gleichmäßigere Stromverteilung zu einer verschlechterten Wärmeabfuhr oder ebenfalls zu einem höheren Bauraumbedarf und umgekehrt. Zu beachten sind auch die sich aus der gewählten Anordnung der Halbleiterschaltelemente ergebenden induktiven Eigenschaften des Inverters.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Halbbrückenmodul für einen Inverter eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs vorzuschlagen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Halbbrückenmodul für einen Inverter eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
  • Die Erfindung betrifft ein Halbbrückenmodul für einen Inverter eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, umfassend ein Substrat, auf dem Substrat angeordnete Halbleiterschaltelemente, Leistungsanschlüsse und Signalanschlüsse, wobei die Signalanschlüsse derart an die Halbleiterschaltelemente elektrisch angebunden sind, dass die Halbleiterschaltelemente über die Signalanschlüsse schaltbar sind und wobei die Leistungsanschlüsse derart an die Halbleiterschaltelemente elektrisch angebunden sind, dass die Halbleiterschaltelemente eine elektrische Leistungsübertragung zwischen den Leistungsanschlüssen zulassen oder unterbrechen. Das erfindungsgemäße Halbbrückenmodul zeichnet sich dadurch aus, dass die Halbleiterschaltelemente teilweise über Bonddrähte und teilweise über Leiterrahmenelektrisch kontaktiert sind.
  • Erfindungsgemäß ist also ein Halbbrückenmodul vorgesehen, welches zur Verwendung in einem Inverter geeignet ist, wobei der Inverter seinerseits zum Versorgen eines Elektromotors mit einer Wechselspannung in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug geeignet ist. Das Halbbrückenmodul umfasst ein Substrat, welches beispielsweise als DBC- (Direct Bonded Copper) Substrat, als AMB- (Active Metal Brazing) Substrat oder als IM- (Insulated Metal) Substrat ausgebildet sein kann. Auf dem Substrat sind einerseits Halbleiterschaltelemente angeordnet, insbesondere Transistoren und Dioden, und andererseits die zugehörigen Leistungsanschlüsse und Signalanschlüsse. Das Substrat ist bevorzugt rechteckig ausgebildet mit je zwei gegenüberliegenden Seitenkanten. Ggf. kann das Substrat auch quadratisch ausgebildet sein. Die Signalanschlüsse dienen dabei dem Schalten der Halbleiterschaltelemente und sind entsprechend mit einem Signalkontakt der Halbleiterschaltelemente elektrisch verbunden. Je nach Ausbildung der Halbleiterschaltelemente kann dann durch eine Bestromung des Signalkontakts oder eine Spannungsbeaufschlagung der Schaltfläche das Halbleiterschaltelement stromleitend bzw. stromsperrend geschaltet werden. Die Leistungsanschlüsse sind ihrerseits mit Leistungskontakten der Halbleiterschaltelemente elektrisch verbunden, so dass elektrische Leistung von einem Leistungsanschluss durch ein Halbleiterschaltelement zu einem weiteren Leistungsanschluss übertragen werden kann. Über die Leistungsanschlüsse wird dabei die elektrische Versorgung des Elektromotors zum Antrieb des Elektrofahrzeugs oder des Hybridfahrzeugs gewährleistet. Insbesondere sind dabei unterschiedliche Arten von Leistungsanschlüssen vorgesehen, nämlich Plus-Anschlüsse, Minus-Anschlüsse und Phase-Anschlüsse, wobei die Plus-Anschlüsse der Zuleitung von elektrischem Strom dienen und die Minus-Anschlüsse der Ableitung von elektrischem Strom dienen. Die Phase-Anschlüsse schließlich dienen der eigentlichen Versorgung des Elektromotors mit elektrischem Strom durch Bereitstellen einer Wechselspannung. Die Plus-Anschlüsse und die Minus-Anschlüsse sind bevorzugt in der Nähe von Seitenkanten des Substrats angeordnet, insbesondere sind die Minus-Anschlüsse in der Nähe der vergleichsweise kürzeren Seitenkanten des Substrats angeordnet und die Plus-Anschlüsse in der Nähe der vergleichsweise längeren Seitenkanten angeordnet. Bevorzugt umfasst das Halbbrückenmodul jeweils zwei Plus-Anschlüsse und zwei Minus-Anschlüsse, wobei jedoch auch mehr als je zwei Plus-Anschlüsse und Minus-Anschlüsse vorgesehen sein können, um beispielsweise höhere Ströme schalten und übertragen zu können. Die Phase-Anschlüsse sind bevorzugt gegenüberliegend zu den Minus-Anschlüssen ebenfalls in der Nähe einer vergleichsweise kürzeren Seitenkante des Substrats angeordnet. Die Leistungsanschlüsse und die Signalanschlüsse des erfindungsgemäßen Halbbrückenmoduls sind allesamt von der gemeinsamen Seite, bevorzugt einer Oberseite, des Substrats aus zugänglich. Das bedeutet, dass sich die Leistungsanschlüsse und die Signalanschlüsse von der gemeinsamen Seite des Substrats aus gesehen durch die Vergussmassemasse hindurch erstrecken und aus ihrer Durchtrittrichtung durch die Vergussmassemasse gesehen innerhalb einer von dem Substrat aufgespannten Grundfläche angeordnet sind. Hierdurch ist es möglich, die Leistungsanschlüsse so zueinander auszurichten, dass das Halbbrückenmodul eine geringe Streuinduktivität der Kommutierungszelle in der Größenordnung von einigen wenigen Nanohenry aufweist sowie ebenfalls niedrige Streuinduktivitäten der Signalanschlüsse aufweist. Beides dient dem Ziel eines möglichst verlustarmen Schaltens. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung der Leistungsanschlüsse und Signalanschlüsse besteht darin, dass sich dieselben nicht mehr zur Seite hin erstrecken und demnach außerhalb der vom Substrat aufgespannten Grundfläche positioniert sind. Hierdurch ergeben sich Bauraumvorteile.
  • Erfindungsgemäß sind die Halbleiterschaltelemente teilweise über Bonddrähte und teilweise über Leiterrahmen elektrisch kontaktiert, d.h., dass die Signalanschlüsse mit den Signalflächen bzw. die Leistungsanschlüsse mit den Leistungsflächen teilweise über Bonddrähte bzw. über Leiterrahmen elektrisch verbunden sind. Daraus ergibt sich der Vorteil der Möglichkeit einer sehr flexiblen Anordnung der Halbleiterschaltelemente auf dem Substrat und somit die Möglichkeit, die vorgenannten Nachteile im Stand der Technik zu reduzieren bzw. zu vermeiden, insbesondere kann der Zusammenhang zwischen Stromverteilung, Bauraumbedarf und Wärmeabfuhr zumindest teilweise aufgebrochen werden, so dass eine Optimierung einer der genannten Eigenschaften nur in geringem Maße oder gar nicht zur Verschlechterung der anderen beiden Eigenschaften führt. Während nämlich Leiterrahmen eine vergleichsweise gleichmäßige Stromverteilung ermöglichen und das Leiten auch vergleichsweise hoher Ströme begünstigen, sind sie jedoch vergleichsweise unflexibel und schränken aufgrund ihrer Bauform die Flexibilität in der Anordnung der Halbleiterschaltelemente ein. Bonddrähte hingegen sind vergleichsweise flexibel und ermöglichen dementsprechend auch eine flexible Anordnung der Halbleiterschaltelemente auf dem Substrat. Hinsichtlich ihrer Möglichkeit, eine gleichmäßige Stromverteilung zu gewährleisten, sind sie hingegen beschränkt. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Kombination von elektrischen Kontaktierungen der Halbleiterschaltelemente teilweise durch Bonddrähte und teilweise durch Leiterrahmenen können die Vorteile beider Möglichkeiten der Kontaktierung auf einem Halbbrückenmodul kombiniert werden.
  • Ein Bonddraht kann dabei je nach Bedarf, d.h. je nach zu führender Stromstärke, einen geeigneten Durchmesser und ein geeignetes Material aufweisen. Ebenso muss der Bonddraht nicht zwangsläufig einen runden Querschnitt aufweisen, beispielsweise Kupfer mit einem Durchmesser von 0,5 mm bis 2,0 mm. Auch rechteckige oder quadratische Querschnitte sind denkbar.
  • Die Leiterrahmen sind dabei aus einem Blech gestanzt und weisen je nach Bedarf, d.h. je nach zu führender Stromstärke, eine geeignete Blechstärke und ein geeignetes Material auf. Die Leiterrahmen weisen bevorzugt ein dreidimensionales Profil auf, d.h. sie haben durch Biegen erzeugte Erhebungen, welche vorzugsweise zwischen zwei zu verbindenden Halbleiterschaltelementen bzw. Leistungsanschlüssen angeordnet sind, und durch Biegen erzeugte Absenkungen, welche vorzugsweise zur Kontaktierung von Halbleiterschaltelementen bzw. Leistungsanschlüssen vorgesehen sind. Jeder Leiterrahmen ist einstückig und kann abhängig von seiner Geometrie eine Vielzahl von Halbleiterbauteilen und Leistungsanschlüssen miteinander verbinden. Insbesondere durch die vergleichsweise großflächige und einstückige Ausbildungsform sowie damit einhergehend durch das Fehlen von Verbindungsstellen innerhalb eines Leiterrahmens ergibt sich zudem eine besonders gleichmäßige Stromverteilung.
  • Die Halbleiterschaltelemente auf dem Substrat des Halbbrückenmoduls sowie die Bonddrähte und Leiterrahmen sind vorteilhaft mittels einer Moldmasse vergossen.
  • Dies schützt das Halbbrückenmodul vor Umwelteinflüssen und insbesondere mechanischen Beschädigungen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass Signalkontakte der Halbleiterschaltelemente über Bonddrähte elektrisch kontaktiert sind. Da die Signalkontakte in der Regel nicht mit hohen Strömen beaufschlagt werden müssen bzw. sogar ausschließlich mit einer Spannung beaufschlagt werden müssen und eine möglichst gleichmäßige Verteilbarkeit des Stroms deshalb keine bzw. nahezu keine Rolle spielt, kann in diesem Fall durch die elektrische Kontaktierung mittels eines Bonddrahts eine in jedem Fall sichere Schaltbarkeit der Halbleiterschaltelemente gewährleistet werden, wobei gleichzeitig der Bonddraht so flexibel ist, dass er beispielweise um eine Leiterrahmen herum angeordnet werden kann bzw. über eine Leiterrahmen hinweg angeordnet werden kann, also in keinem Fall die Anordnung der vergleichsweise unflexiblen Leiterrahmen einschränkt.. Die Möglichkeiten der räumlichen und geometrischen Anordnung von Leiterrahmen werden somit nicht eingeschränkt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass Leistungskontakte der Halbleiterschaltelemente über Leiterrahmen elektrisch kontaktiert sind. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Vorzüge von Leiterrahmen hinsichtlich ihrer gleichmäßigen Stromverteilung und ihrer guten Stromleitfähigkeit im Zusammenhang mit den den Leistungskontakten zuzuführenden bzw. abzuführenden, in der Regel hohen Strömen zum Tragen kommen. Sofern die Signalkontakte über Bonddrähte elektrisch kontaktiert sind, muss zudem aufgrund der Flexibilität der Bonddrähte nahezu keine Rücksicht auf die elektrische Kontaktierung der Signalkontakte genommen werden, so dass die Leiterrahmen nahezu ausschließlich nach den Bedürfnissen einer optimierten Stromverteilung, Wärmeableitung und Bauraumbegrenzung designt werden können. Leiterrahmen erlauben zudem eine vollflächige Kontaktierung der Leistungskontakte, was nicht nur zu geringen elektrischen Widerständen und einer verbesserten Ladungsträgerverteilung in den Halbleiterschaltelementen führt, sondern zudem eine Wärmeableitung aus den Halbleiterschaltelementen in die Leiterrahmen und von den Leiterrahmen in die Umgebung erlaubt.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Leiterrahmen zumindest abschnittsweise eine größere Breite aufweisen als die Halbleiterschaltelemente. Somit wird eine möglichst widerstandsarme Zuleitung bzw. Ableitung der elektrischen Leistung zu bzw. von den Halbleiterschaltelementen gewährleistet. Durch die solcherart vergrößerte Oberfläche wird auch die Wärmeabfuhr von den Halbleiterschaltelementen über die Leiterrahmen in die Umgebung verbessert.
  • Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Halbbrückenmodul eine High-Side-Schaltung und eine Low-Side-Schaltung umfasst, wobei der High-Side-Schaltung genau eine Leiterrahmen zugeordnet ist und wobei der Low-Side-Schaltung genau eine Leiterrahmen zugeordnet ist. Das Halbbrückenmodul besteht somit also aus zwei Teilschaltungen, nämlich der High-Side-Schaltung und der Low-Side-Schaltung. Der High-Side-Schaltung sind dabei die Plus-Anschlüsse zugeordnet und der Low-Side-Schaltung sind die Minus-Anschlüsse zugeordnet. Sowohl die Low-Side-Schaltung als auch die High-Side-Schaltung sind mit den Phase-Anschlüssen elektrisch verbindbar. Indem nun sowohl der High-Side-Schaltung als auch der Low-Side-Schaltung jeweils genau eine Leiterrahmen zugeordnet ist, kann die Leiterrahmen vergleichsweise flächig ausgebildet sein, also eine vergleichsweise große Breite und Länge aufweisen. Dies verbessert die Stromleitfähigkeit und die Wärmeabfuhr noch weiter.
  • Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Leiterrahmen derart ausgebildet sind, dass ihre geometrische Form ein U beinhaltet. Diese Ausbildungsform hat sich als weitgehend optimal erwiesen, da lediglich im Bereich der Enden des „U“ bzw. zwischen den Schenkeln des „U“ eine Aussparung besteht, welche die Anbringung von Bonddrähten an den Signalanschlüssen erlaubt. Ansonsten kann die Leiterrahmen eine maximale Länge bzw. Breite bzw. Fläche aufweisen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Halbleiterschaltelemente als Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode und/oder als Siliciumcarbid-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren ausgebildet sind. Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode sind dabei im Allgemeinen auch als sog. IGBTs bekannt und Siliciumcarbid-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren sind im Allgemeinen auch als sog. SiC-Mosfets bekannt. Diese Arten von Halbleiterschaltelementen sind vergleichsweise gut zum verlustarmen und schnellen Schalten auch von hohen Strömen geeignet.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass jedem Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode eine Freilaufdiode zugeordnet ist. Die Freilaufdioden schützen den ihnen jeweils zugeordneten Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode vor induktiven Überspannungen insbesondere beim Schalten von elektrischen Leistungen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Halbleiterschaltelemente planar auf einer Oberseite des Substrats angeordnet sind. Daraus ergibt sich der Vorteil einer nochmals verbesserten Wärmeableitbarkeit.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass jedes Halbleiterschaltelement relativ zu einem Leistungsanschluss geometrisch und elektrisch identisch wie mindestens ein weiteres Halbleiterschaltelement relativ zu einem weiteren Leistungsanschluss angeordnet ist. Das bedeutet, dass das Halbbrückenmodul eine oder mehrere Symmetrieachsen bzw. einen Spiegelpunkt aufweist, an welchen Anordnungen von Halbleiterschaltelementen und Leistungsanschlüssen gespiegelt werden. Beispielsweise kann ein erstes Halbleiterschaltelement über eine Leiterrahmen bzw. einen Leiterrahmenabschnitt mit einem Plus-Anschluss elektrisch verbunden sein und ein zweites Halbleiterschaltelement kann über eine geometrisch identische Leiterrahmen bzw. einen geometrisch identischen Leiterrahmenabschnitt mit einem weiteren Plus-Anschluss elektrisch verbunden sein. Somit weisen beide elektrischen Verbindungen einen identischen Widerstandswert auf. Ebenso können beispielsweise auch ein drittes und ein viertes Halbleiterschaltelement über eine geometrisch identische, ggf. jedoch spiegelverkehrte, Leiterrahmen bzw. geometrisch identische, ggf. jedoch spiegelverkehrte, Leiterrahmenabschnitte mit zwei Minus-Anschlüssen elektrisch verbunden sein. Diese große Symmetrie führt zu einer sehr gleichmäßigen Stromverteilung.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Halbbrückenmodul zwei zusätzliche elektrische Anschlüsse umfasst, deren elektrische Anbindung an das Halbbrückenmodul dazu ausgebildet ist, eine Rückleitung für einen Ansteuerstrom zu bereitzustellen. Bei einem Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode wird dabei einer der zusätzlichen elektrischen Anschlüsse als sog. Kelvin-Emitter verwendet und bei einem Siliciumcarbid-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor wird einer der zusätzlichen elektrischen Anschlüsse als sog. Kelvin-Source verwendet. Sowohl der sog. Kelvin-Emitter als auch die sog. Kelvin-Source dienen als Rückleiter für einen Ansteuerstrom. Über diese Art der Kontaktierung wird die Rückwirkung des Laststroms auf den Ansteuerstrom minimiert. Weiterhin kann ein Leistungsanschluss in Verbindung mit einem der zwei zusätzlichen elektrischen Anschlüsse dazu verwendet werden, eine induktive Kurzschlussdetektion zu ermöglichen. Dazu wird bevorzugt der Spannungsabfall zwischen dem Leistungsanschluss und dem zusätzlichen elektrischen Anschluss gemessen.
  • Der Ansteuerstrom wird dabei den Signalkontakten der Halbleiterbauelemente zugeführt und schaltet die Halbleiterbauelemente entweder stromleitend oder stromsperrend.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin einen Inverter für einen elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, umfassend mindestens drei erfindungsgemäße Halbbrückenmodule. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Halbbrückenmodul beschriebenen Vorteile auch für den erfindungsgemäßen Inverter.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 beispielhaft und schematisch eine erste mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbbrückenmoduls für einen Inverter eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs,
    • 2 beispielhaft und schematisch eine zweite mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbbrückenmoduls für einen Inverter eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs,
    • 3 beispielhaft und schematisch eine dritte mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbbrückenmoduls für einen Inverter eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs und
    • 4 beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Inverters für eine Leistungselektronik eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs.
  • Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
  • 1 zeigt beispielhaft und schematisch eine erste mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbbrückenmoduls 1 für einen Inverter 20 eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs. Das Halbbrückenmodul 1 besteht aus einer High-Side-Schaltung 1' und einer Low-Side-Schaltung 1". Es umfasst ein Substrat 2, welches beispielsgemäß als DBC- (Direct Bonded Copper) Substrat 2 mit einer keramischen Trägerplatte und beidseitiger Kupferbeschichtung ausgebildet ist, sowie auf einer Oberfläche des Substrats 2 planar angeordnete Halbleiterschaltelemente 3, Freilaufdioden 8, Leistungsanschlüsse 4, 5, 6 und Signalanschlüsse 7, wobei die Signalanschlüsse 7 jeweils einen Signalanschlusskontaktpin 7' aufweisen. Die Kupferbeschichtung ist dabei in mehrere voneinander getrennte Abschnitte strukturiert. Weiterhin umfasst das Halbbrückenmodul 1 zwei zusätzliche elektrische Anschlüsse 9, deren elektrische Anbindung an das Halbbrückenmodul 1 dazu ausgebildet ist, ein sog. Kelvin Sensing zu ermöglichen. Dabei wird die Rückwirkung des Laststroms auf den Ansteuerstrom minimiert. Außerdem kann über einen Leistungsanschluss in Verbindung mit einem der zwei zusätzlichen elektrischen Anschlüsse, eine induktive Kurzschlussdetektion ermöglicht werden. Dazu wird bevorzugt der Spannungsabfall zwischen dem Leistungsanschluss und dem zusätzlichen elektrischen Anschluss gemessen. Die zwei zusätzlichen elektrischen Anschlüsse 9 sind jeweils über einen hierzu vorgesehenen zusätzlichen elektrischen Kontaktpin 9' kontaktierbar. Die Leistungsanschlüsse 4, 5, 6 sind als Plus-Anschlüsse 6, als Minus-Anschlüsse 4 und als Phase-Anschlüsse 5 ausgebildet und zumindest die Plus-Anschlüsse 6 und die Phase-Anschlüsse 5 sind über Leiterrahmen 11 derart an die Halbleiterschaltelemente 3 elektrisch angebunden, dass die Halbleiterschaltelemente 3 eine elektrische Leistungsübertragung zwischen den Leistungsanschlüssen 4, 5, 6 zulassen oder unterbrechen. Die Leiterrahmenen 11 kontaktieren dazu Leistungskontakte 3" auf der Oberseits der Halbleiterschaltelemente 3. Wie zu sehen ist, weisen die Leiterrahmen 11 zumindest in einem longitudinal mittleren Abschnitt des Halbbrückenmoduls 1 eine größere Breite auf als die Halbleiterschaltelemente 3. Sowohl der High-Side-Schaltung 1' als auch der Low-Side-Schaltung 1" ist jeweils genau eine Leiterrahmen 11 zugeordnet, wobei jede Leiterrahmen 11 derart ausgebildet ist, dass ihre geometrische Form ein U beinhaltet. Dies führt zu vergleichsweise geringen elektrischen Widerständen der Leiterrahmen 11 und zu einer gleichmäßigen Stromverteilung im Halbbrückenmodul 1. Die Signalanschlüsse 7 sind derart an die Halbleiterschaltelemente 3 elektrisch angebunden, dass die Halbleiterschaltelemente über die Signalanschlüsse 7 schaltbar sind. Dazu sind die Signalanschlüsse 7 über Bonddrähte 10 mit Signalkontakten 3' der Halbleiterbauelemente 3 elektrisch verbunden und über weitere Bonddrähte 10 mit den Leiterrahmen 11 elektrisch verbunden, so dass ein den Signalkontakten 3' der Halbleiterschaltelemente 3 zum Schalten zugeführter elektrischer Strom über die Leistungskontakte 3" und die Leiterrahmen 11 wieder zurückgeführt werden kann. Die Halbleiterschaltelemente 3 sind beispielsgemäß als sog. Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode 3, die auch als insulated gate bipolar transistor (IGBT) bekannt sind, ausgebildet. Jedem Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode 3 ist beispielsgemäß jeweils eine Freilaufdiode 8 zugeordnet, um die Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode 3 vor induktiven Überspannungen beim Schalten von elektrischen Leistungen zu schützen, welche die Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode 3 ansonsten zerstören könnten.
  • 2 zeigt beispielhaft und schematisch eine zweite mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbbrückenmoduls 1 für einen Inverter 20 eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs. Das Halbbrückenmodul 1 der 2 unterscheidet sich vom Halbbrückenmodul 1 der 1 durch die Ausbildungsform der Halbleiterschaltelemente 3 als Siliciumcarbid-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren 3, die auch als siliciumcarbid metal oxide semiconductor field effect transistor (SiC MOSFET) bekannt sind, statt als Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode 3. Dadurch kann das Vorsehen einer Freilaufdiode 8 vorteilhaft entfallen, jedoch ist zum Schalten von gleichen Stromstärken eine größere Anzahl an Siliciumcarbid-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren 3 als an Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode 3 notwendig. Entsprechend weist das Halbbbrückenmodul der 2 insgesamt acht statt nur vier Halbleiterschaltelemente 3 auf. Die Signalanschlüsse 7 sowie die geometrische Ausbildung der Leiterrahmen 11 ist an diese größere Anzahl von Halbleiterschaltelementen 3 angepasst, wobei dennoch nur eine einzige Leiterrahmen 11 für die High-Side-Schaltung 1' nur eine einzige Leiterrahmen 11 für die Low-Side-Schaltung 1" vorgesehen ist. Auch gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 ist jede Leiterrahmen 11 derart ausgebildet, dass ihre geometrische Form ein U beinhaltet.
  • 3 zeigt beispielhaft und schematisch eine dritte mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbbrückenmoduls 1 für einen Inverter 20 eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs. Das Halbbrückenmodul 1 der 3 unterscheidet sich vom Halbbrückenmodul 1 der 2 durch Geometrie der Leiterrahmen 11. Wie zu sehen ist, sind die je vier Siliciumcarbid-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren 3 der High-Side-Schaltung 1' und der Low-Side-Schaltung 1" jeweils relativ zu den Leistungsanschlüssen 4, 5, beispielsgemäß zu den Minus-Anschlüssen 4 und den Phase-Anschlüssen 5, geometrisch und elektrisch identisch angeordnet. Durch die sich hieraus ergebende große Symmetrie ergibt sich entsprechend auch eine sehr gleichmäßige Stromverteilung im Halbbrückenmodul 1. Die Leiterrahmen 11 sind geometrisch an diese Anordnung der Halbleiterschaltelemente 3 angepasst, weisen aber auch in diesem Ausführungsbeispiel ein in ihrer geometrischen Form enthaltenes U auf.
  • 4 zeigt beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Inverters 20 für einen elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs. Der Inverter 20 umfasst beispielsgemäß sechs erfindungsgemäße Halbbrückenmodule 1, wobei die Phase-Anschlüsse 5 von jeweils zwei Halbbrückenmodulen 1 über eine gemeinsame dritte Stromschiene 11a kontaktiert sind. Die Plus-Anschlüsse 6 sowie die Minus-Anschlüsse 4 hingegen sind jeweils für alle sechs Halbbrückenmodule 1 über eine gemeinsame erste Stromschiene 11b bzw. eine gemeinsame zweite Stromschiene 11c kontaktiert. Mittels einer in 4 nicht dargestellten Sinterschicht sind die Halbbrückenmodule 1 auf einer als Wasserkühler ausgebildeten Kühleinrichtung 12 angeordnet.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Halbbrückenmodul
    1'
    High-Side-Schaltung
    1"
    Low-Side-Schaltung
    2
    Substrat
    3
    Halbleiterschaltelement, Siliciumcarbid-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode
    3'
    Signalkontakt
    3"
    Leistungskontakt
    4
    Leistungsanschluss, Minus-Anschluss
    5
    Leistungsanschluss, Phase-Anschluss
    6
    Leistungsanschluss, Plus-Anschluss
    7
    Signalanschluss
    7'
    Signalanschlusskontaktpin
    8
    Freilaufdiode
    9
    zusätzlicher elektrischer Anschluss
    9'
    zusätzlicher elektrischer Kontaktpin
    10
    Bonddraht
    11
    Stromschiene
    11 a
    dritte Stromschiene
    11b
    erste Stromschiene
    11c
    zweite Stromschiene
    12
    Kühleinrichtung, Wasserkühler
    20
    Inverter
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • DE 102006008632 A1 [0005]
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    • DE 102019220010 [0007]

Claims (12)

  1. Halbbrückenmodul (1) für einen Inverter (20) eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, umfassend ein Substrat (2), auf dem Substrat (2) angeordnete Halbleiterschaltelemente (3), Leistungsanschlüsse (4, 5, 6) und Signalanschlüsse (7), wobei die Signalanschlüsse (7) derart an die Halbleiterschaltelemente (3) elektrisch angebunden sind, dass die Halbleiterschaltelemente (3) über die Signalanschlüsse (7) schaltbar sind und wobei die Leistungsanschlüsse (4, 5, 6) derart an die Halbleiterschaltelemente (3) elektrisch angebunden sind, dass die Halbleiterschaltelemente (3) eine elektrische Leistungsübertragung zwischen den Leistungsanschlüssen (4, 5, 6) zulassen oder unterbrechen, wobei die Signalanschlüsse (7) und die Leistungsanschlüsse (4, 5, 6) alle an einer gemeinsamen Seite des Substrats (2) angeordnet sind und mit einer Vergussmasse vergossen sind und wobei die Leistungsanschlüsse (4, 5, 6) und die Signalanschlüsse (7) alle von der gemeinsamen Seite des Substrats (2) aus zugänglich sind, derart, dass sich die Leistungsanschlüsse (4, 5, 6) und die Signalanschlüsse (7) von der gemeinsamen Seite des Substrats (2) aus gesehen durch die Vergussmasse hindurch erstrecken und aus ihrer Durchtrittrichtung durch die Vergussmasse gesehen innerhalb einer von dem Substrat (2) aufgespannten Grundfläche angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschaltelemente (3) teilweise über Bonddrähte (10) und teilweise über Leiterrahmen (11) elektrisch kontaktiert sind.
  2. Halbbrückenmodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Signalkontakte (3') der Halbleiterschaltelemente (3) über Bonddrähte (10) elektrisch kontaktiert sind.
  3. Halbbrückenmodul (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass Leistungskontakte (3") der Halbleiterschaltelemente (3) über die Leiterrahmen (11) elektrisch kontaktiert sind.
  4. Halbbrückenmodul (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass e Leiterrahmen (11) zumindest abschnittsweise eine größere Breite aufweisen als die Halbleiterschaltelemente (3).
  5. Halbbrückenmodul (1) nach mindestens einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbbrückenmodul (1) eine High-Side-Schaltung (1') und eine Low-Side-Schaltung (1") umfasst, wobei der High-Side-Schaltung (1') genau ein Leiterrahmen(11) zugeordnet ist und wobei der Low-Side-Schaltung (1") genau ein Leiterrahmen (11) zugeordnet ist.
  6. Halbbrückenmodul (1) nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieLeiterrahmen (11) derart ausgebildet sind, dass ihre geometrische Form ein U beinhaltet.
  7. Halbbrückenmodul (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschaltelemente (3) als Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (3) und/oder als Siliciumcarbid-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (3) ausgebildet sind.
  8. Halbbrückenmodul (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (3) eine Freilaufdiode (8) zugeordnet ist.
  9. Halbbrückenmodul (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschaltelemente (3) planar auf einer Oberseite des Substrats (2) angeordnet sind.
  10. Halbbrückenmodul (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Halbleiterschaltelement (3) relativ zu einem Leistungsanschluss (4, 5, 6) geometrisch und elektrisch identisch wie mindestens ein weiteres Halbleiterschaltelement (3) relativ zu einem weiteren Leistungsanschluss (4, 5, 6) angeordnet ist.
  11. Halbbrückenmodul (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbbrückenmodul (1) zwei zusätzliche elektrische Anschlüsse (9) umfasst, deren elektrische Anbindung an das Halbbrückenmodul (1) dazu ausgebildet ist, eine Rückleitung für einen Ansteuerstrom zu bereitzustellen.
  12. Inverter (20) für einen elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, umfassend mindestens drei Halbbrückenmodule (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11.
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