DE102020205420A1 - 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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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbbrückenmodul (1) für einen Inverter (20) eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, umfassend ein Substrat (2), 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 Halbleiterschaltelemente (3), die Signalanschlüsse (7) und die Leistungsanschlüsse (4, 5, 6) alle auf einer ersten Fläche (15) des Substrats (2) angeordnet sind und mit einer Moldmasse (17) vergossen sind und wobei externe Anschlusskontakte der Signalanschlüsse (13) und externe Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse (14) sich durch die Moldmasse (17) heraus erstrecken. Das erfindungsgemäße Halbbrückenmodul (1) zeichnet sich dadurch aus, dass die externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse (13) und die externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse (14) sich aus vier zur ersten Fläche (15) orthogonale zweite Flächen (18) aus der Moldmasse (17) heraus erstrecken und zumindest die externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse (13) oder die externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse (14) außerhalb der Moldmasse (17) eine erste rechtwinklige Biegung aufweisen, so dass Enden der externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse (13) und/oder Enden der externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse (14) in dieselbe Richtung weisen wie eine Senkrechte auf die erste Fläche (15). 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 eine Leistungselektronik mit einem sog. Inverter geschaltet.
  • Derartige Inverter umfassen üblicherweise Halbleiterschaltelemente, die typischerweise aus Transistoren gebildet sind. Dabei ist es bekannt, die Halbleiterschaltelemente in unterschiedlichen Integrationsgraden bereitzustellen, nämlich 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.
  • 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 zwei Halbleiterelementen bekannt, die jeweils auf einer ersten Seite mindestens eine erste Elektrode und auf einer zweiten Seite mindestens eine zweite Elektrode aufweisen. 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 - deren Offenbarung in die vorliegende Patentanmeldung einbezogen sein soll - 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 Moldmasse hindurch erstrecken und aus ihrer Durchtrittsrichtung durch die Moldmasse gesehen innerhalb einer von dem Substrat aufgespannten Grundfläche angeordnet sind.
  • Die bekannten Halbleiterschaltelemente sind jedoch dahingehend nachteilbehaftet, dass sie entweder eine vergleichsweise ungünstige Wärmeabfuhr, eine ungleichmäßige Stromverteilung, einen hohen Bauraumbedarf oder vergleichsweise hohe Herstellungskosten aufweisen.
  • 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, 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, wobei die Halbleiterschaltelemente, die Signalanschlüsse und die Leistungsanschlüsse alle auf einer ersten Fläche des Substrats angeordnet sind und mit einer Moldmasse vergossen sind und wobei externe Anschlusskontakte der Signalanschlüsse und externe Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse sich durch die Moldmasse heraus erstrecken. Das erfindungsgemäße Halbbrückenmodul zeichnet sich dadurch aus, dass die externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse und die externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse sich aus vier zur ersten Fläche orthogonale zweite Flächen aus der Moldmasse heraus erstrecken und zumindest die externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse oder die externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse außerhalb der Moldmasse eine erste rechtwinklige Biegung aufweisen, so dass Enden der externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse und/oder Enden der externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse in dieselbe Richtung weisen wie eine Senkrechte auf die erste Fläche.
  • Es 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, insbesondere als flaches, scheibenartiges Rechteck, mit je zwei gegenüberliegenden Seitenkanten. Ggf. kann das Substrat auch quadratisch ausgebildet sein.
  • Die Signalanschlüsse dienen zum elektrischen 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 des Signalkontakts 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.
  • Die Halbleiterschaltelemente, die Leistungsanschlüsse und die Signalanschlüsse des erfindungsgemäßen Halbbrückenmoduls sind alle auf einer ersten Fläche des Substrats angeordnet und Leistungsanschlüsse und die Signalanschlüsse können dort auf einfache Weise von externen Anschlusskontakten kontaktiert werden. Bei der ersten Seite handelt es sich bevorzugt um eine der zwei vergleichsweise größten Flächen des Substrats. Die externen Anschlusskontakte können z.B. als Drähte, als Pins oder als Leiterbahnen ausgebildet sein und mit den Leistungsanschlüssen bzw. den Signalanschlüssen verlötet sein bzw. gebondet sein.
  • Zum Schutz gegen Umwelteinflüsse sind die Halbleiterschaltelemente, die Leistungsanschlüssen und die Signalanschlüsse mit einer Moldmasse vergossen. Nur die externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse und der Leistungsanschlüsse erstrecken sich durch die Moldmasse nach außen und ermöglichen somit eine elektrische Kontaktierung der Signalanschlüsse und der Leistungsanschlüsse von außerhalb des Halbbrückenmoduls.
  • Erfindungsgemäß erstrecken sich die externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse und die externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse aus vier zur ersten Fläche orthogonale zweite Flächen aus der Moldmasse heraus. Die zweiten Flächen sind dabei die „Seitenflächen“ des vergossenen Substrats, die in der Regel sehr viel kleiner sind als die erste Fläche. Die externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse und der Leistungsanschlüsse sind somit parallel zur ersten Fläche angeordnet, soweit sie keine rechtwinklige erste Biegung aufweisen. Außerhalb der Moldmasse weisen die externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse bzw. der Leistungsanschlüsse eine erste rechtwinklige Biegung auf. Die Biegung ist dabei derart ausgeführt, dass Enden der externen Anschlusskontakte in dieselbe Richtung weisen wie eine Senkrechte auf die erste Fläche. Die Enden weisen also in die Richtung, welche die „Oberseite“ der ersten Fläche darstellt, auf der die Halbleiterschaltelemente, die Leistungsanschlüsse und die Signalanschlüsse angeordnet sind.
  • Unter einer „rechtwinkligen Biegung“ im Sinne der Erfindung wird nicht nur bzw. nicht zwangsläufig ein vergleichsweise scharfer Knick verstanden, vielmehr kann die Biegung einen Radius aufweisen und als Kreisabschnitt oder Ovalabschnitt ausgebildet sein, solange die Anschlusskontakte dabei eine Richtungsänderung um 90 ° erfahren.
  • Durch diese Anordnung der externen Anschlusskontakte ergibt sich eine sehr kostengünstige Möglichkeit, die erfindungsgemäßen Halbbrückenmodule herzustellen, ohne dabei andere, wesentliche Eigenschaften, wie etwa Wärmeabfuhr Stromverteilung oder Bauraumbedarf zu verschlechtern. Die nach oben gebogenen Enden ermöglichen zusätzlich eine vergleichsweise einfache und damit ebenfalls kostengünstige elektrische Kontaktierung der externen Anschlusskontakte.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, nur die Enden der externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse oder die Enden der externen Anschlusskontakte einiger oder aller Leistungsanschlüsse nach oben umzubiegen, um die verschiedenen Arten von externen Anschlusskontakten auf unterschiedliche Art und Weise kontaktieren zu können. Auch dies trägt zur vereinfachten Herstellung des Halbbrückenmoduls bei und somit zur Kostenreduzierung.
  • Daraus ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass die Leistungsanschlüsse und die Signalanschlüsse auf einfache Weise getrennt voneinander und von oben kommend kontaktiert werden können. Die Kontaktierung der Leistungsanschlüsse bzw. der Signalanschlüsse kann also insbesondere dreidimensional erfolgen, so dass das Halbbrückenmodul eine besonders geringe Streuinduktivität der Kommutierungszelle in der Größenordnung von einigen wenigen Nanohenry aufweist sowie ebenfalls niedrige Streuinduktivitäten der Signalanschlüsse aufweist. Die Kommutierungszelle stellt dabei den Strompfad während des Schaltvorgangs dar. Eine geringe Streuinduktivität dient dem Ziel eines möglichst verlustarmen Schaltens
  • Bevorzugt 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.
  • Besonders bevorzugt 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 bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse als Signalanschlusskontaktpins ausgebildet sind und dass die externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse als verlängerte Beine von Leiterrahmen ausgebildet sind. Die Signalanschlusskontaktpins sind dabei also als sog. „Pins“ ausgebildet, d.h., als drahtartige Steckkontakte mit rundem oder eckigem Querschnitt. Weiterhin denkbar und bevorzugt sind auch sog. Lötpins, welche insbesondere zum Herstellen einer Lötverbindung geeignet sind, oder Einpresspins, welche insbesondere zum Einpressen in das Halbbrückenmodul geeignet sind. Derartige Pins sind kostengünstig, leicht formbar und leicht kontaktierbar. Sie eignen sich besonders zum Leiten geringer bis mittlerer Stromstärken. Die verlängerten Beine der Leiterrahmen sind kontaktierbare Fortsätze der Leiterrahmen, die zum Kontaktieren der Leistungsanschlüsse und der Leistungskontakte der Halbleiterschaltelemente des Halbbrückenelements verwendet werden. Die verlängerten Beine sind dabei im Wesentlichen wie Leiterbahnen ausgebildet und eignen sich besonders zum Leiten mittlerer bis höherer Stromstärken.
  • Die Leiterrahmen sind bevorzugt 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 besonders 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 bevorzugt einstückig und kann abhängig von seiner Geometrie eine Vielzahl von Halbleiterbauteilen und Leistungsanschlüssen miteinander verbinden. Leiterrahmen sind auch als sog. „Stanzgitter“ bekannt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse und/oder die externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse außerhalb der Moldmasse zusätzlich eine zweite rechtwinklige Biegung aufweisen, so dass die Enden der externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse und/oder die Enden der externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse parallel zur ersten Fläche ausgerichtet sind und innerhalb einer von dem Substrat aufgespannten Grundfläche angeordnet sind. Die zweite rechtwinklige Biegung führt also dazu, dass die externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse bzw. die externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse im Wesentlichen U-förmig ausgebildet sind, wobei die Ende der externen Anschlusskontakte parallel zur ersten Fläche ausgerichtet sind und insbesondere auf der Moldmasse aufliegen. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Leistungsanschlüsse und die Signalanschlüsse innerhalb einer vom Substrat aufgespannten Grundfläche, welche der ersten Fläche entspricht, liegen .Da sich in dieser Ausgestaltung die Leistungsanschlüsse und Signalanschlüsse nicht mehr zur Seite hin erstrecken, ergibt sich ein Bauraumvorteil.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse sich aus zwei sich parallel gegenüberliegenden zweiten Flächen heraus erstrecken. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die unterschiedlichen Halbleiterschaltelemente auf dem Substrat auf diese Weise jeweils über möglichst kurze Signalleitungen und damit verlustarm und verzögerungsarm angesteuert werden können.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse sich aus vier zweiten Flächen heraus erstrecken. Somit erstreckt sich also aus jeder der vier zweiten Flächen mindestens ein Leistungskontakt. Dies ermöglicht eine einfache Kontaktierbarkeit der Leistungsanschlüsse über möglichst kurze Leiterbahnen bzw. Leiterrahmen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Leistungsanschlüsse als Minus-Anschlüsse, als Phase-Anschlüsse und als Plus-Anschlüsse ausgebildet sind, wobei sich die Minus-Anschlüsse und die Phase-Anschlüsse aus zwei sich parallel gegenüberliegenden zweiten Flächen heraus erstrecken. Es sind also 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 Anordnung der Minus-Anschlüsse und der Phase-Anschlüsse aus zwei sich parallel gegenüberliegenden zweiten Flächen heraus begünstigt ebenfalls eine einfache Kontaktierbarkeit der Leistungsanschlüsse, insbesondere der Minus-Anschlüsse und der Phase-Anschlüsse über möglichst kurze Leiterbahnen bzw. Leiterrahmen.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass sich die Plus-Anschlüsse aus zwei sich parallel gegenüberliegenden zweiten Flächen heraus erstrecken, welche orthogonal zu den zweiten Flächen sind, aus welchen sich die die Minus-Anschlüsse und die Phase-Anschlüsse heraus erstrecken. Dies führt zu einer nochmals verbesserten Kontaktierbarkeit der Leistungsanschlüsse, insbesondere der Plus-Anschlüsse, über möglichst kurze Leiterbahnen bzw. Leiterrahmen.
  • 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 Halbleiterschaltelemente zugeführt und schaltet die Halbleiterschaltelemente entweder stromleitend oder stromsperrend.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass sich externe Anschlusskontakte der zwei zusätzlichen elektrischen Anschlüsse aus denselben zweiten Flächen heraus erstrecken wie die externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse. Dies hat sich hinsichtlich der Kontaktierbarkeit der externen Anschlusskontakte der zwei zusätzlichen elektrischen Anschlüsse sowie auch der Signalkontakte der Halbleiterschaltelemente als vorteilhaft erwiesen.
  • 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 einen möglichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Halbbrückenmoduls für einen Inverter eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs ohne externe Anschlusskontakte der Signalanschlüsse und ohne externe Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse,
    • 2 beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbbrückenmoduls,
    • 3 beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Inverters für eine Leistungselektronik eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs,
    • 4 beispielhaft unterschiedliche Kontaktierungsmöglichkeiten der verschiedenen externe Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse durch die Stromschienen und
    • 5 in einer schematischen Seitenansicht das Halbbrückenmodul der 4c sowie eine Kühleinrichtung, auf der das Halbbrückenmodul 1 angeordnet ist.
  • 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 einen möglichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Halbbrückenmoduls 1 für einen Inverter 20 eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs. Der besseren Anschaulichkeit wegen ist die Moldmasse 17 nicht dargestellt. Das Halbbrückenmodul 1 umfasst ein Substrat 2, welches beispielsgemäß als DBC- (Direct Bonded Copper) Substrat 2 mit einer keramischen Trägerplatte und beidseitiger Kupferbeschichtung 16 ausgebildet ist, sowie auf einer ersten Fläche 15 des Substrats 2 planar angeordnete Halbleiterschaltelemente 3, Leistungsanschlüsse 4, 5, 6 und Signalanschlüsse 7. Die Leistungsanschlüsse sind in der Darstellung der 1 von verlängerten Beinen 8' von Leiterrahmen 8 verdeckt. Die verlängerten Beine 8' der Leiterrahmen 8 kontaktieren die Leistungsanschlüsse 4, 5, 6 von oben und erstrecken sich dann als externe Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse 14 seitlich aus vier zur ersten Fläche 15 orthogonale zweite Flächen 18 aus der Moldmasse 17 heraus. Die Leistungsanschlüsse 4, 5, 6 sind als Plus-Anschlüsse 6, als Minus-Anschlüsse 4 und als Phase-Anschlüsse 5 ausgebildet. Die Plus-Anschlüsse 6 und die Phase-Anschlüsse 5 sind über die Leiterrahmen 8 derart an die Halbleiterschaltelemente 3 elektrisch angebunden, dass die Halbleiterschaltelemente 3 eine elektrische Leistungsübertragung zwischen den Leistungsanschlüssen 4, 5, 6 zulassen oder unterbrechen. Die Signalanschlüsse 7 sind ihrerseits derart an die Halbleiterschaltelemente 3 elektrisch angebunden, dass die Halbleiterschaltelemente 3 über die Signalanschlüsse 7 schaltbar sind. Die elektrische Anbindung der Signalanschlüsse an die Halbleiterschaltelemente 3 erfolgt beispielsgemäß über Bonddrähte 9. Externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse 13 sind beispielsgemäß als Signalanschlusskontaktpins 13 ausgebildet und erstrecken sich aus zwei sich parallel gegenüberliegenden zweiten Flächen 18. Sie weisen jeweils eine erste rechtwinklige Biegung auf, so dass Enden der externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse 13 in dieselbe Richtung weisen wie eine Senkrechte auf die erste Fläche 15. Weiterhin umfasst das Halbbrückenmodul 1 externe Anschlusskontakte von zwei zusätzlichen elektrischen Anschlüsse 19, deren elektrische Anbindung an das Halbbrückenmodul 1 dazu ausgebildet ist, eine Rückleitung für einen Ansteuerstrom zu bereitzustellen. Wie zu sehen ist, erstrecken sich die externen Anschlusskontakte der zwei zusätzlichen elektrischen Anschlüsse 19 aus denselben zweiten Flächen 18 heraus wie die externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse 13. Die Halbleiterschaltelemente 3 sind beispielsgemäß als sog. Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode 3, die auch als insulated gate bipolar transistor (IGBT) bekannt sind, ausgebildet.
  • 2a zeigt beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbbrückenmoduls 1 mit externen Anschlusskontakten der Signalanschlüsse 13 und mit externen Anschlusskontakten der Leistungsanschlüsse 14. Die Leistungsanschlüsse 4, 5, 6, die Signalanschlüsse 7 und die Halbleiterschaltelemente 3 sind in 2 nicht zu sehen, da sie von der Moldmasse 17 verdeckt sind. Lediglich die externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse 13 und die externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse 14 erstrecken sich seitlich aus vier zur ersten Fläche 15 orthogonale zweite Flächen 18 aus der Moldmasse 17 heraus. Unter der Moldmasse 17 sind die die externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse 13 mit den Signalanschlüssen 7 elektrisch leitend verbunden und die externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse 14 sind mit den Leistungsanschlüssen 4, 5, 6 elektrisch leitend verbunden. Wie zu sehen ist, weisen die externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse 13 eine erste rechtwinklige Biegung auf, so dass Enden der externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse 13 in dieselbe Richtung weisen wie eine Senkrechte auf die erste Fläche 15. Dies ermöglicht eine einfache Kontaktierbarkeit der externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse 13. Die externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse 13 sind dabei als Signalanschlusskontaktpins 13 ausgebildet und erstrecken sich aus zwei sich parallel gegenüberliegenden zweiten Flächen 18. Die externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse 14 hingegen erstrecken sich aus allen vier zweiten Flächen 18 heraus. Entsprechend ihrer elektrischen Verbindung zu den Leistungsanschlüssen 4, 5, 6 innerhalb der Moldmasse 17 erlauben die externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse 14 eine Kontaktierung der Plus-Anschlüsse 6, der Minus-Anschlüsse 4 und der Phase-Anschlüsse 5. Weiterhin umfasst das Halbbrückenmodul 1 externe Anschlusskontakte von zwei zusätzlichen elektrischen Anschlüsse 19, deren elektrische Anbindung an das Halbbrückenmodul 1 dazu ausgebildet ist, eine Rückleitung für einen Ansteuerstrom zu bereitzustellen. Wie zu sehen ist, erstrecken sich die externen Anschlusskontakte der zwei zusätzlichen elektrischen Anschlüsse 19 aus denselben zweiten Flächen 18 heraus wie die externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse 13.
  • 2b zeigt eine weitere mögliche Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Halbbrückenmoduls 1. Das Halbbrückenmodul 1 der 2b unterscheidet sich vom Halbbrückenmodul 1 der 2a lediglich dadurch, dass die externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse 14 ebenfalls eine erste Biegung aufweisen, so dass deren Enden ebenfalls in dieselbe Richtung weisen wie eine Senkrechte auf die erste Fläche 15.
  • 2c zeigt eine nochmals weitere mögliche Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Halbbrückenmoduls 1. Das Halbbrückenmodul 1 der 2c unterscheidet sich vom Halbbrückenmodul 1 der 2b dadurch, dass die externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse 14 neben der ersten Biegung eine auf die erste rechtwinklige Biegung folgende zweite rechtwinklige Biegung aufweisen, so dass die Enden der externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse 14 parallel zur ersten Fläche 15 ausgerichtet sind und innerhalb einer von dem Substrat 2 aufgespannten Grundfläche angeordnet sind. Somit kann die Kontaktierung der Leistungsanschlüsse bzw. der Signalanschlüsse von oben kommend erfolgen, so dass das Halbbrückenmodul eine besonders geringe Streuinduktivität der Kommutierungszelle aufweist sowie ebenfalls niedrige Streuinduktivitäten der Signalanschlüsse aufweist. 3 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 fünf erfindungsgemäße Halbbrückenmodule 1, wobei die Phase-Anschlüsse 5 über die entsprechenden externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse 14 jeweils von einer ersten Stromschiene 11 a kontaktiert sind. Die Plus-Anschlüsse 6 sowie die Minus-Anschlüsse 4 hingegen sind über die entsprechenden externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse 14 von einer zweiten gemeinsamen Stromschiene 11b bzw. einer dritten gemeinsamen Stromschiene 11 c kontaktiert. Mittels einer in 3 nicht dargestellten Sinterschicht sind die Halbbrückenmodule 1 auf einer als Wasserkühler ausgebildeten Kühleinrichtung 12 angeordnet.
  • 4 zeigt beispielhaft unterschiedliche Kontaktierungsmöglichkeiten der verschiedenen externe Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse 14 durch die Stromschienen 11a, 11b und 11 c, je nach deren Ausbildungsweise. In 4a beispielsweise weisen die externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse 14 keine Biegung auf, erstrecken sich also geradlinig aus den zweiten Flächen 18 heraus. Dies ermöglich eine sehr einfache und kostengünstige elektrische Kontaktierung durch Auflegen der Stromschienen 11a, 11b und 11c auf die externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse 14 von oben. Die Verbindungsstellen können gelötet oder geschweißt werden. Das Ausführungsbeispiel der 4b zeigt demgegenüber externe Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse 14 mit jeweils einer ersten, rechtwinkligen Biegung. Die externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse 14 weisen dementsprechend nach oben. Die elektrische Verbindung zur Stromschiene 11a wird entsprechend hergestellt, indem die Stromschiene 11a an die beiden vorderen externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse 14 angelegt wird. Die Verbindungsstellen können auch in diesem Fall gelötet oder geschweißt werden. Die Stromschiene 11b hingegen kann von oben übergreifend mit den seitlichen externen Anschlusskontakten der Leistungsanschlüsse 14 in elektrische Verbindung gebracht werden. Da hierbei eine mechanische Spannung der Stromschiene 11b und der beiden seitlichen externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse 14 entsteht, müssen die Verbindungsstellen der Stromschiene 11b mit diesen beiden externen Anschlusskontakten der Leistungsanschlüsse 14 nicht zwingend gelötet oder geschweißt werden. Somit entsteht eine besonders kostengünstige elektrische Verbindung. Das in 4c gezeigte Ausführungsbeispiel weist externe Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse 14 mit jeweils einer ersten, rechtwinkligen Biegung und einer zweiten rechtwinkligen Biegung auf. Dadurch können die externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse 14 vergleichsweise einfach und platzsparend von oben durch die Stromschienen 11a, 11b und 11c kontaktiert werden. Wie zu sehen ist, ist die Stromschiene 11c unterhalb der Stromschiene 11b geführt, so dass sich eine dreidimensionale Kommutierungszelle ergibt.5 zeigt in einer schematischen Seitenansicht das Halbbrückenmodul 1 der 4c sowie eine Kühleinrichtung 12, auf der das Halbbrückenmodul 1 angeordnet ist. Besonders gut zu erkennen ist in 5 die dreidimensionale Kommutierungszelle, bestehend aus den Stromschienen 11a, 11b und 11c, den externe Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse 14 sowie den Moldmasse 17 verdeckten Leistungsaschlüssen 4, 5 und 6 und Halbleiterschaltelementen 3.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Halbbrückenmodul
    2
    Substrat
    3
    Halbleiterschaltelement, Siliciumcarbid-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode
    4
    Leistungsanschluss, Minus-Anschluss
    5
    Leistungsanschluss, Phase-Anschluss
    6
    Leistungsanschluss, Plus-Anschluss
    7
    Signalanschluss
    8
    Leiterrahmen
    8'
    verlängertes Bein eines Leiterrahmens
    9
    Bonddraht
    11
    Stromschiene
    11a
    erste Stromschiene
    11b
    zweite Stromschiene
    11c
    dritte Stromschiene
    12
    Kühleinrichtung, Wasserkühler
    13
    externe Anschlusskontakte der Signalanschlüsse, Signalanschlusskontaktpin
    14
    externe Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse
    15
    erste Fläche
    16
    Kupferbeschichtung
    17
    Moldmasse
    18
    zweite Fläche
    19
    externer Anschlusskontakt der zusätzlichen externen Anschlüsse
    20
    Inverter
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • DE 102015012915 A1 [0006]
    • DE 102019220010 [0007]

Claims (10)

  1. Halbbrückenmodul (1) für einen Inverter (20) eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, umfassend ein Substrat (2), 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 Halbleiterschaltelemente (3), die Signalanschlüsse (7) und die Leistungsanschlüsse (4, 5, 6) alle auf einer ersten Fläche (15) des Substrats (2) angeordnet sind und mit einer Moldmasse (17) vergossen sind und wobei externe Anschlusskontakte der Signalanschlüsse (13) und externe Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse (14) sich durch die Moldmasse (17) heraus erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass die externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse (13) und die externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse (14) sich aus vier zur ersten Fläche (15) orthogonale zweite Flächen (18) aus der Moldmasse (17) heraus erstrecken und zumindest die externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse (13) oder die externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse (14) außerhalb der Moldmasse (17) eine erste rechtwinklige Biegung aufweisen, so dass Enden der externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse (13) und/oder Enden der externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse (14) in dieselbe Richtung weisen wie eine Senkrechte auf die erste Fläche (15).
  2. Halbbrückenmodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse (13) als Signalanschlusskontaktpins (13) ausgebildet sind und dass die externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse (14) als verlängerte Beine (8') von Leiterrahmen (8) ausgebildet sind.
  3. Halbbrückenmodul (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse (13) und/oder die externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse (14) außerhalb der Moldmasse (17) zusätzlich eine zweite rechtwinklige Biegung aufweisen, so dass die Enden der externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse (13) und/oder die Enden der externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse (14) parallel zur ersten Fläche (15) ausgerichtet sind und innerhalb einer von dem Substrat (2) aufgespannten Grundfläche angeordnet sind.
  4. Halbbrückenmodul (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse (13) sich aus zwei sich parallel gegenüberliegenden zweiten Flächen (18) heraus erstrecken.
  5. Halbbrückenmodul (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die externen Anschlusskontakte der Leistungsanschlüsse (14) sich aus vier zweiten Flächen (18) heraus erstrecken
  6. Halbbrückenmodul (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsanschlüsse (4, 5, 6) als Minus-Anschlüsse (4), als Phase-Anschlüsse (5) und als Plus-Anschlüsse (6) ausgebildet sind, wobei sich die Minus-Anschlüsse (5) und die Phase-Anschlüsse (5) aus zwei sich parallel gegenüberliegenden zweiten Flächen (18) heraus erstrecken.
  7. Halbbrückenmodul (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Plus-Anschlüsse (6) aus zwei sich parallel gegenüberliegenden zweiten Flächen (18) heraus erstrecken, welche orthogonal zu den zweiten Flächen (18) sind, aus welchen sich die die Minus-Anschlüsse (4) und die Phase-Anschlüsse (5) heraus erstrecken.
  8. Halbbrückenmodul (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbbrückenmodul (1) zwei zusätzliche externe Anschlüsse (19) umfasst, deren elektrische Anbindung an das Halbbrückenmodul (1) dazu ausgebildet ist, eine Rückleitung für einen Ansteuerstrom zu bereitzustellen.
  9. Halbbrückenmodul (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich externe Anschlusskontakte der zwei zusätzlichen externen Anschlüsse (19) aus denselben zweiten Flächen (18) heraus erstrecken wie die externen Anschlusskontakte der Signalanschlüsse (13).
  10. Inverter (20) für einen elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, umfassend mindestens drei Halbbrückenmodule (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9.
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