DE102020207701A1 - Leistungsmodul zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs mit einem Zwischenkreiskondensator - Google Patents

Leistungsmodul zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs mit einem Zwischenkreiskondensator Download PDF

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Abstract

Leistungsmodul (10) zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs, umfassend mehrere Leistungsschalter (114, 116, 124. 126. 134. 136) zum Erzeugen eines Ausgangsstroms basierend auf einem eingespeisten Eingangsstrom, wobei die mehreren Leistungsschalter (114, 116, 124. 126. 134. 136) mehrere Gruppen (115, 125, 135) aufweisen, die jeweils zwei zueinander reihengeschaltete Leistungsschalter (114, 116; 124, 126; 134, 136) umfassen; eine Zwischenkreiskondensatoranordnung, die zu den Leistungsschaltern (114, 116, 124. 126. 134. 136) parallelgeschaltet ist; wobei die Zwischenkreiskondensatoranordnung mehrere Zwischenkreiskondensatoren (112, 122, 132) umfasst, die jeweils einer der mehreren Gruppen (115, 125, 135) der Leistungsschalter (114, 116, 124. 126. 134. 136) zugeteilt sind, um mit der jeweiligen Gruppen (115, 125, 135) ein Untermodul (102, 104, 106) zu bilden.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Leistungsmodule zum Betreiben eines Elektroantriebs für ein Fahrzeug.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Leistungsmodule, insbesondere integrierte Leistungsmodule, finden bei Kraftfahrzeugen zunehmend Anwendungen. Derartige Leistungsmodule werden bspw. in DC/AC-Wechselrichtern (Invertern) eingesetzt, die dazu dienen, elektrische Maschinen wie Elektromotoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Die Leistungsmodule basieren auf Leistungshalbleitern, insbesondere Transistoren wie IGBTs, MOSFETs und HEMTs. Weitere Einsatzfelder sind DC/DC-Wandler und AC/DC-Gleichrichter (Converter) und Transformatoren.
  • Aus den Leistungshalbleitern werden in der Regel Leistungsschalter gebildet, die in einer Brückenschaltung verwendet werden. Ein häufiges Beispiel ist die sogenannte Halbbrücke, die eine Highside-Komponente und eine Lowside-Komponente umfasst. Die Highside- und Lowside-Komponenten umfassen jeweils einen oder mehreren Leistungsschalter, nämlich Highside-Leistungsschalter bzw. Lowside-Leistungsschalter. Durch gezieltes Schalten der Highside- und Lowside-Leistungsschalter kann die Richtung des am Ausgang des Leistungsmoduls erzeugten Stroms (Ausgangsstroms) mit einem sehr kurzen Takt zwischen einer positiven Stromrichtung und einer negativen Stromrichtung verändert werden. Dies ermöglicht eine sogenannte Pulsbreitenmodulation, um im Falle eines DC/AC-Wechselrichters einen Wechselstrom basierend auf einem eingangsseitig des Leistungsmoduls eingespeisten Gleichstroms zu erzeugen.
  • Bei all diesen Anwendungen ist es vorteilhaft, dass die Schaltzeit der verwendenten Leistungsschalter hinreichend klein ist. Dank der Fortschritte auf dem Gebiet der Leistungshalbleiter lassen sich kurze Schaltzeiten mit sogenannten Wide Bandgap Semiconductors (Halbleitern mit großen Bandlücken) wie SiC und GaN realisieren.
  • Dennoch sind kurze Schaltzeiten mit dem Nachteil behaftet, dass diese bei in der Stromleitungen des Leistungsmoduls herrschenden Streuinduktivitäten beim Ein- und Ausschalten der Leistungsschalter hohe elektrische Spannungen hervorbringen. Letztere können dazu führen, dass die Leistungsschalter bzw. die darin enthaltenen Leistungshalbleiter durchgebrannt und somit beeinträchtigt werden. Zwar werden bei aus dem Stand der Technik bekannten Leistungsmodulen bereits Zwischenkondensatoren eingesetzt, die die auftretenden Spannungsspitzen reduzieren bzw. abflachen. Diese spannungsglättende Wirkung ist bei den bekannten Leistungsmodulen jedoch bauartbedingt nicht ausreichend, um die Leistungshalbleiter vor einer Durchbrennung zu schützen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die Leistungshalbleiter besser vor einer Durchbrennung aufgrund Spannungsspitzen beim Ein- bzw. Ausschalten zu schützen, um die Leistungsfähigkeit des Leistungsmoduls zu erhöhen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls sowie ein solches Leistungsmodul und dessen Verwendung in einem Fahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
  • Das Leistungsmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs. Das Leistungsmodul wird vorzugsweise in einem DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter) eingesetzt. Insbesondere dient das Leistungsmodul zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter wird dazu verwendet, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu generieren.
  • Zum Einspeisen eines Eingangsstroms (Gleichstroms) weist das Leistungsmodul vorzugsweise einen Eingangskontakt mit einem Positivpol und einem Negativpol auf. Im Betrieb des Leistungsmoduls ist der Positivpol mit einem Positivanschluss der Batterie elektrisch leitend verbunden, wobei der Negativpol mit einem Negativanschluss der Batterie elektrisch leitend verbunden ist.
  • Das Leistungsmodul weist ferner eine Mehrzahl von Leistungsschaltern auf, die zum Dämpferkondensator parallelgeschaltet sind. Diese halbleiterbasierten Leistungsschalter dienen dazu, um basierend auf dem eingespeisten Eingangsstrom einen Ausgangsstrom mittels Ansteuerung der einzelnen Leistungsschalter zu erzeugen. Die Ansteuerung der Leistungsschalter kann auf einer sogenannten Pulsbreitenmodulation beruhen.
  • Die mehreren Leistungsschalter sind in mehreren Gruppen aufgeteilt. Jede der mehreren Gruppen (bzw. Leistungsschaltergruppen) umfasst jeweils zwei zueinander reihengeschaltete Leistungsschalter. Vorzugsweise wird aus den Leistungsschaltern eine Brückenschaltungsanordnung gebildet. Die Brückenschaltungsanordnung kann eine oder mehrere Brückenschaltungen umfassen, die etwa als Halbbrücken gebildet sind. Jede Halbbrücke umfasst einen oder mehrere zueinander parallelgeschaltete Highside-Schalter (HS-Schalter), und einen oder mehrere zueinander parallelgeschaltete Lowside-Schalter (LS-Schalter). Der/die HS-Schalter ist/sind zu dem/den LS-Schalter/LS-Schaltern reihengeschaltet. In diesem Fall bildet jede Halbbrücke eine Leistungsschaltergruppe. Jede Halbbrücke ist einer Stromphase eines mehrphasigen Wechselstroms (Ausgangsstrom) zugeordnet. Die HS-Schalter und LS-Schalter umfassen jeweils einen oder mehrere Leistungshalbleiterbauteile wie IGBT, MOS-FET oder HEMT. Das dem jeweiligen Leistungshalbleiterbauteil zugrunde liegende Halbleitermaterial umfasst vorzugsweise ein sogenanntes Wide-Bandgap-Semiconductor (Halbleiter mit einer großen Bandlücke) wie Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN), kann alternativ oder zusätzlich Silizium umfassen.
  • Zwecks Spannungsglättung weist das Leistungsmodul ferner eine Zwischenkreiskondensatoranordnung auf, die zu den Leistungsschaltern parallelgeschaltet ist. Die Zwischenkreiskondensatoranordnung umfasst mehrere Zwischenkreiskondensatoren, die beispielsweise als Plattenkondensatoren ausgebildet sind. Jeder der Zwischenkreiskondensatoren ist einer der mehreren Leistungsschaltergruppen zugeteilt sind. Somit sind alle Zwischenkreiskondensatoren jeweils in einer Eins-zu-eins-Zuordnung allen Leistungsschaltergruppen zugeteilt.
  • Das Leistungsmodul weist außerdem vorzugsweise ein Isoliersubstrat zum Anbringen der Leistungsschalter auf. Das Isoliersubstrat weist beispielsweise eine erste Metalllage, eine zweite Metalllage und eine zwischen der ersten Metalllage und der zweiten Metalllage angeordnete Isolierlage auf. Hierbei handelt es vorzugsweise um ein Direct-Bonded-Copper(DCB)-Isoliersubstrat. Auf der ersten Metalllage werden die Leistungsschalter angebracht. Beispielsweise werden die Leistungsschalter per Sintern, Schweißen, Löten oder mittels einer Schraubverbindung auf der ersten Metalllage befestigt.
  • Das Leistungsmodul weist vorzugsweise ferner einen Kühlkörper auf, der zur Abfuhr von Wärme, die im Leistungsmodul, insbesondere in den Leistungsschaltern bei hohen Eingangsströmen erzeugt wird.
  • Dadurch, dass das Leistungsmodul nicht nur einen einzigen, sondern mehrere Zwischenkreiskondensatoren aufweist, die den verschiedenen Leistungsschaltergruppen in einer Eins-zu-eins-Zuordnung fest zugeteilt sind, ist die Flexibilität hinsichtlich der Anordnung der Zwischenkreiskondensatoren im Leistungsmodul erhöht. Dies begründet eine kürzere elektrische Leitung zwischen jedem Zwischenkreiskondensator und der dazugehörigen Leistungsschaltergruppe. Die Streuinduktivität, die mit der Länge der elektrischen Leitung zusammenhängt, ist daher reduziert. Die Wahrscheinlichkeit, dass es beim Ein- und Ausschalten der Leistungsschalter zu Spannungsspitzen kommt, ist daher reduziert. Die Leistungsschalter sind somit in einem reduzierten Maße einer Durchbrennungsgefahr ausgesetzt bzw. vor einer solchen Gefahr komplett geschützt, die sonst beim Einsatz von WBG-Halbleitermaterialien aufgrund der sehr kurzen Schaltzeiten dieser Materialien an die Streuinduktivitäten im Leistungsmodul zu befürchten wäre. Die Funktionsfähigkeit des Leistungsmoduls ist daher erhöht.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Ausführungsformen werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Schaltung für ein Leistungsmodul gemäß einer Ausführungsform;
    • 2 eine schematische Darstellung eines Untermoduls eines Leistungsmoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Seitenansicht;
    • 3 eine schematische Darstellung des Leistungsmoduls aus mehreren in 2 gezeigten Untermodulen in einer Seitenansicht; und
    • 4 eine schematische Darstellung des Untermoduls aus 2 in einer weiteren Seitenansicht.
  • In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile. In den einzelnen Figuren sind die jeweils relevanten Bezugsteile gekennzeichnet.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltung für ein Leistungsmodul 10 gemäß einer Ausführungsform. Das Leistungsmodul 10 dient primär zur Anwendung in einem DC/AC-Wechselrichter (Inverter), der einen eingespeisten Gleichstrom zu einem mehrphasigen Wechselstrom umwandelt. Der Wechselstrom weist beispielsweise drei Stromphasen auf, die voneinander jeweils um einen Phasenwinkel von 120 Grad verschoben sind. Das Leistungsmodul 10 ist hier vereinfacht dargestellt und umfasst drei Untermodule 102, 104, 106. Jedes der drei Untermodule 102, 104, 106 ist einer von drei Stromphasen zugeteilt. Dass es sich um einen dreiphasigen Wechselstrom handelt ist lediglich eins beispielhafte Anwendung der vorliegenden Erfindung.
  • Jedes Untermodul 102, 104, 106 umfasst eine Halbbrücke, die eine Gruppe 115, 125, 135 (siehe 2) aus einem oder mehreren Highside-Schalter(n) 116, 126, 136, und einem oder mehreren Lowside-Schalter(n) 114, 124, 134 aufweist. Im Fall, dass die Halbbrücke mehrere Highside-Schalter und/oder Lowside-Schalter umfasst, sind die mehreren Highside-Schalter zueinander parallelgeschaltet, wobei die mehreren Lowside-Schalter zueinander parallelgeschaltet sind. Innerhalb einer Halbbrücke ist bzw. sind der bzw. die Highside-Schalter zu dem bzw. den Lowside-Schalter(n) reihengeschaltet.
  • Jedes Untermodul 102, 104, 106 umfasst ferner einen Zwischenkreiskondensator 112, 122, 132, der zu den Leistungsschaltern im jeweiligen Untermodul 102, 104, 106 parallelgeschaltet ist. In dem in 1 gezeigten Beispiel sind daher drei Zwischenkreiskondensatoren 112, 122, 132 enthalten, die den drei Halbbrücken bzw. Leistungsschaltergruppen 115, 125, 135 in einer Eins-zu-eins-Zuordnung zugeteilt sind. Jeder Zwischenkreiskondensator 112, 122, 132 bildet mit der dazugehörigen Halbbrücke bzw. Leistungsschaltergruppe 115, 125, 135 das entsprechende Untermodul 102, 104, 106.
  • 2 zeigt das jeweilige Untermodul 102, 104, 106 in einer Seitenansicht. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Zwischenkreiskondensator 112, 122, 132 auf einem Substrat 140 aufliegend angeordnet. Hierbei ist der Zwischenkreiskondensator 112, 122, 132 substratseitig mittels zweier Verbindunselemente 118, 120 (etwa einer Schraubverbindung oder einer Klebverbindung) am Substrat 140 befestigt. Zwischen dem Zwischenkreiskondensator 112, 122, 132 und dem Substrat 140 ist die entsprechende Halbbrücke 115, 125, 135 bzw. Leistungsschaltergruppe angeordnet. Das Substrat 140 kann eine Direct-Bonding-Copper(DCB)-Substrat aufweisen. Das Substrat 140 kann an seiner vom Zwischenkreiskondensator 112, 122, 132 abgewandten Seite mit einem Kühlkörper (nicht gezeigt) verbunden sein.
  • Ein Stromeingang umfassend einen Positivpol 142 und einen Negativpol 144 ist hier beispielhaft auf einer Oberseite des Zwischenkreiskondensators 112, 122, 132 angeordnet. Dies ist jedoch nicht einschränkend für die vorliegende Erfindung. Eine andere Positionierung des Stromeingangs ist denkbar. Ein Stromausgang 146 ist am Substrat 140 befestigt.
  • In 3 ist das Leistungsmodul 10 mit den drei Untermodulen 102, 104, 106 vollständig gezeigt. Die Untermodule 102, 104, 106 sind im Wesentlichen gleich gebildet und entlang einer Längsrichtung voneinander beabstandet. Vorzugsweise liegen die drei Substrate 140 im Wesentlichen in einer Ebene.
  • 4 zeigt das jeweilige Untermodul 102, 104, 106 in einer weiteren Seitenansicht. Zusätzlich zu den in 2 gezeigten Komponenten ist hier eine Steuerplatte 148 zu sehen, die elektronische Bauteile und elektrische Leitungen sowie Signalleitungen (nicht gezeigt) enthält, mittels derer die Gate-Elektroden der entsprechenden Halbbrücke 115, 125, 135 angesteuert werden können. Vorzugsweise erstreckt sich die Steuerplatte 148 senkrecht zum Substrat 140. Die Steuerplatte 148 ist an einem Ende des Substrats 140 angeorndet. Der Stromausgang 146 ist an einem der Steuerplatte 148 gegenüberliegenden Ende des Substrats 140 angeordnet und ragt über eine Endseite des Substrats 140 hinaus.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Leistungsmodul
    102, 104, 106
    Untermodul
    112, 122, 132
    Zwischenkreiskondensator
    114, 124, 134
    Lowside-Schalter
    115, 125, 135
    Leistungsschaltergruppe
    116, 126, 136
    Highside-Schalter
    118, 120
    Verbindungselement
    140
    Substrat
    142, 144
    Stromeingang
    146
    Stromausgang
    148
    Steuerplatte

Claims (11)

  1. Leistungsmodul (10) zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs, umfassend: - mehrere Leistungsschalter (114, 116, 124. 126. 134. 136) zum Erzeugen eines Ausgangsstroms basierend auf einem eingespeisten Eingangsstrom, wobei die mehreren Leistungsschalter (114, 116, 124. 126. 134. 136) mehrere Gruppen (115, 125, 135) aufweisen, die jeweils zwei zueinander reihengeschaltete Leistungsschalter (114, 116; 124, 126; 134, 136) umfassen; - eine Zwischenkreiskondensatoranordnung, die zu den Leistungsschaltern (114, 116, 124. 126. 134. 136) parallelgeschaltet ist; wobei die Zwischenkreiskondensatoranordnung mehrere Zwischenkreiskondensatoren (112, 122, 132) umfasst, die jeweils einer der mehreren Gruppen (115, 125, 135) der Leistungsschalter (114, 116, 124. 126. 134. 136) zugeteilt sind, um mit der jeweiligen Gruppen (115, 125, 135) ein Untermodul (102, 104, 106) zu bilden.
  2. Leistungsmodul (10) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Gruppen (115, 125, 135) der Leistungsschalter (114, 116, 124. 126. 134. 136) zueinander parallelgeschaltet sind, wobei jeder der mehreren Zwischenkreiskondensatoren (112, 122, 132) zur dazugehörigen Gruppe (115, 125, 135) der Leistungsschalter (114, 116, 124. 126. 134. 136) parallelgeschaltet ist.
  3. Leistungsmodul (10) nach Anspruch 2, wobei in zumindest einem der Untermodule (102, 104, 106) direkt neben den Leistungschalters (114, 116, 124. 126. 134. 136) der dazugehörige Zwischenkreiskondensator (112, 122, 132) in Parallelschaltung angeordnet ist.
  4. Leistungsmodul (10) nach Anspruch 2 oder 3, wobei in jedem der Untermodule (102, 104, 106) jede Gruppe (115, 125, 135) der Leistungsschalter (114, 116, 124. 126. 134. 136) und der dieser zugeteilte Zwischenkreiskondensator (112, 122, 132) an einem von mehreren räumlich voneinander getrennten Substraten (140) angeordnet sind.
  5. Leistungsmodul (10) nach Anspruch 4, wobei die mehreren Substrate (140) im Wesentlichen auf einer Ebene liegen.
  6. Leistungsmodul (10) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die mehreren Substrate (140) im Wesentlichen entlang einer Längsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind.
  7. Leistungsmodul (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei jeder der Zwischenkreiskondensatoren (112, 122, 132) auf dem dazugehörigen Substrat (140) aufliegt, derart, dass der jeweilige Zwischenkreiskondensator (112, 122, 132) die dazugehörige Gruppe (115, 125, 135) der Leistungsschalter (114, 116, 124. 126. 134. 136) überdeckt.
  8. Leistungsmodul (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei an einem Ende jedes Substrats (140) eine Steuerplatte (148) angeordnet ist, die elektronische Komponenten zur Ansteuerung einer Gate-Elektrode der jeweiligen Gruppe (115, 125, 135) der Leistungsschalter (114, 116, 124. 126. 134. 136) aufweist.
  9. Leistungsmodul (10) nach Anspruch 8, wobei die Steuerplatte (148) im Wesentlichen senkrecht zum jeweiligen Substrat (140) ausgerichtet ist.
  10. Leistungsmodul (10) nach Anspruch 8 oder 9, wobei ein Stromausgangskontakt (146) zum Ausgeben eines basierend auf einem Eingangsstrom mittels der Leistungsschalter erzeugten Ausgangsstroms an einem der Steuerplatte (148) gegenüberliegenden Ende des jeweiligen Substrats (140) angeordnet ist.
  11. Leistungsmodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein Stromeingangskontakt (142, 144) zum Einspeisen eines Eingangsstroms an dem Zwischenkreiskondensator (112, 122, 132) zumindest eines der Untermodule (102, 104, 106) angeordnet ist.
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