DE102020208154A1 - Leistungsmodul zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs mit einer verbesserten Temperaturbestimmung der Leistungshalbleiter - Google Patents

Leistungsmodul zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs mit einer verbesserten Temperaturbestimmung der Leistungshalbleiter Download PDF

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Abstract

Leistungsmodul (10) zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs, umfassend mehrere Halbleiterbauteile; einen Kühlkörper (16) zur Abfuhr durch die Halbleiterbauteile erzeugter Wärme; einen Zwischenkreiskondensator (18), der zu den Halbleiterbauteilen parallelgeschaltet ist; eine Zwischenkreisleitung, die den Zwischenkreiskondensator (18) mit den Halbleiterbauteilen elektrisch verbindet; wobei die Zwischenkreisleitung zumindest teilweise in einer im Kühlkörper (16) ausgebildeten Ausnehmung (17) angeordnet ist.

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.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Leistungsmodul zu ermöglichen, bei dem die Betriebstemperatur der Leistungshalbleiter mit höherer Genauigkeit erfasst wird.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Leistungsmodul und ein Verfahren 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.
  • Das Leistungsmodul weist eine Mehrzahl von Halbleiterbauteilen bzw. Chips auf, um basierend auf dem eingespeisten Eingangsstrom einen Ausgangsstrom mittels Ansteuerung der einzelnen Halbleiterbauteile zu erzeugen. Die Ansteuerung der Halbleiterbauteile erfolgt mittels einer Ansteuerelektronik, die eine oder mehrere Leiterplatten aufweist, auf der eine Vielzahl von elektronischen Bauteilen angebracht sind. Die Ansteuerelektronik umfasst vorzugsweise eine Controllerkomponente zur Erzeugung eines Steuersignals basierend auf einem Betriebszustand des Leistungsmoduls und eine Treiberkomponente zur Ansteuerung der Leistungsschalter basierend auf dem Steuersignal. Die Ansteuerung kann auf einer sogenannten Pulsbreitenmodulation beruhen. Im Fall eines Wechselrichters handelt es sich beim Eingangsstrom um einen Gleichstrom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen Wechselstrom handelt.
  • Im Betrieb des Leistungsmoduls werden häufig hohe Ströme durch die einzelnen Halbleiterbauteile geschickt. Dies ist insbesondere bei Hochvolt-Anwendungen, etwa 400V- und 800V-Anwendungen, der Fall. Es ist deshalb von großer Bedeutung, die im Betrieb des Leistungsmoduls entstehende Wärme abzuführen, um die Halbleiterbauteile nicht aufgrund einer Überhitzung zu beeinträchtigen. Zu diesem Zweck wird üblicherweise ein Kühlkörper vorgesehen, mit dem die Halbleiterbauteile in thermischer Kopplung stehen.
  • Die einzelnen Halbleiterbauteile werden normalerweise zu sogenannten topologischen Schaltern zusammengefasst. Jeder topologische Schalter weist mehrere parallelgeschaltete Halbleiterbauteile auf, die innerhalb des jeweiligen topologischen Schalters vorzugsweise eine vollständige Halbbrücke mit einer Highside und einer Lowside bilden. Bei steigenden Anforderungen an die Menge der vom Elektroantrieb bereitzustellenden Fahrzeugleistung wächst auch der durch das Leistungsmodul zu übertragende Strom. Bei zumindest gleichbleibender Spannung erfordert dies eine Aufskalierung der Anzahl der topologischen Schalter.
  • Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Leistungsmodulen führt eine erhöhte Anzahl der topologischen Schalter dazu, dass die verschiedenen Halbleiterbauteile nur bedingt derart DC-seitig kontaktiert werden können, dass die Streuinduktivität aufgrund der Impedanz der Zuleitungen gering gehalten wird. Außerdem kommt es bei diesen bekannten Leistungsmodulen häufig zu unterschiedlich langen Zuleitungen und folglich unterschiedlichen Streuinduktivitäten. Streuinduktivitäten können an schnelles Schalten koppeln und zu Spannungssprüngen führen, die unter Umständen die Überspannung der Halbleiterbauteile überschreiten, sodass diese beeinträchtigt werden.
  • Der Erfindung liegt deshalb die technische Aufgabe zugrunde, die aufgrund von Streuinduktivitäten auftretenden Spannungssprünge im Leistungsmodul wirksamer zu bekämpfen.
  • Erfindungsgemäß wird die obige Aufgabe durch das Leistungsmodul, den Kühlkörper und den Inverter gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
  • 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.
  • Das Leistungsmodul weist mehrere Halbleiterbauteile bzw. Chips auf, die dazu dienen, basierend auf dem eingespeisten Eingangsstrom einen Ausgangsstrom mittels Ansteuerung der einzelnen Halbleiterbauteile zu erzeugen. Die Ansteuerung der topologischen Schalter erfolgt mittels einer Ansteuerelektronik, die vorzugsweise eine oder mehrere Leiterplatten aufweist, auf der eine Vielzahl von elektronischen Bauteilen angebracht sind. Die Ansteuerelektronik umfasst vorzugsweise eine Controllerkomponente zur Erzeugung eines Steuersignals basierend auf einem Betriebszustand des Leistungsmoduls und eine Treiberkomponente zur Ansteuerung der Halbleiterbauteile basierend auf dem Steuersignal. Die Ansteuerung kann auf einer sogenannten Pulsbreitenmodulation beruhen. Im Fall eines Wechselrichters (Inverters) handelt es sich beim Eingangsstrom um einen Gleichstrom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen Wechselstrom handelt.
  • Die mehreren Halbleiterbauteile bilden vorzugsweise eine oder mehrere Halbbrücke. Jede Halbbrücke kann als ein topologischer Schalter umfassend mehrere parallelgeschaltete Halbleiterbauteile verstanden werden. Jeder topologische Schalter umfasst eine Highside und eine Lowside, die zur Highside reihengeschaltet ist. Die Halbleiterbauteile umfassen jeweils einen IGBT, MOSFET oder HEMT. Das dem jeweiligen Halbleiterbauteil 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 kristallines und/oder amorphes Silizium umfassen.
  • Das Leistungsmodul umfasst ferner einen Kühlkörper, mit dem die Halbleiterbauteile in thermischer Kopplung stehen. Im Kühlkörper sind vorzugsweise Kühlleitungen zum Durchströmen eines Kühlmediums, etwa Wasser, ausgebildet. Außerdem umfasst das Leistungsmodul einen Zwischenkreiskondensator, der zu den Halbleiterbauteilen parallelgeschaltet ist, um die Eingangsspannung zu glätten.
  • Eine Zwischenkreisleitung umfassend mehrere Stromschienen ist dazu vorgesehen, um den Zwischenkreiskondensator mit den Halbleiterbauteilen elektrisch zu verbinden. Die Zwischenkreisleitung ist zumindest teilweise in einer im Kühlkörper ausgebildeten Ausnehmung angeordnet.
  • Auf diese Weise verkürzt sich die Länge der Zwischenkreisleitung, da diese zur Verbindung mit den Halbleiterbauteilen nicht um den Kühlkörper herumgewickelt zu werden braucht. Erfindungsgemäß kann die Zwischenkreisleitung zumindest teilweise durch die im Kühlkörper ausgebildete Ausnehmung geführt werden. Damit einhergehend sinkt die Streuinduktivität des Leistungsmoduls, sodass die Wahrscheinlichkeit von Spannungssprüngen an den Halbleiterbauteilen, die auf die Kopplung zwischen der Streuinduktivität und der aufgrund des Schaltens der Halbleiterbauteile auftretenden Stromänderungen zurückzuführen sind, verringert ist.
  • Außerdem begünstigt die erfindungsgemäße Bauweise eine gleichmäßige Länge der Zwischenkreisleitung und somit eine gleichmäßige Induktivität zwischen den verschiedenen Halbleiterbauteilen. Dies erleichtert das gezielte Ansteuern der Halbleiterbauteile um den gewünschten Ausgangsstrom zu erzeugen.
  • 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 eines Leistungsmoduls gemäß einer Ausführungsform;
    • 2 eine schematische Darstellung eines Schaltungskreises des Leistungsmoduls aus 1; und
    • 2 eine schematische Darstellung eines Kühlkörpers gemäß einer Ausführungsform.
  • In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile.
  • 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Leistungsmoduls 10 gemäß einer Ausführungsform. Die Schneidebene A-A ist in 2 gezeigt. Das Leistungsmodul 10 umfasst mehrere topologische Schalter 12, 14, die jeweils mehrere parallelgeschaltete Halbleiterbauteile aufweisen. Das Leistungsmodul 10 umfasst einen Zwischenkreiskondensator 18 zum Glätten der Eingangsspannung, die von einer Energiequelle (z.B. Batterie) ins Leistungsmodul 10 eingespeist wird. Zwischen den topologischen Schaltern 12, 14 und dem Zwischenkreiskondensator 18 ist ein Kühlkörper 16 angeordnet, um die durch die topologischen Schalter 12, 14 im Betrieb erzeugte Wärme abzuführen und die Halbleiterbauteile abzukühlen. Der Zwischenkreiskondensator 18 ist zu den topologischen Schaltern 12, 14 parallelgeschaltet. Zwischen dem Zwischenkreiskondensator 18 und den Halbleiterbauteilen der topologischen Schalter 12, 14 ist eine Zwischenkreisleitung vorgesehen, die in der hier gezeigten Ausführungsform mehrere erste Stromschienen 11A, 13A, 15A zum elektrischen Verbinden der Halbleiterbauteile mit einem positiven Potential und mehrere zweite Stromschienen 11B, 13B, 15B zum elektrischen Verbinden der Halbleiterbauteile mit einem negativen Potential umfasst. Der Kühlkörper 16 weist mittig eine Ausnehmung 17 auf, durch die die Stromschienen 13A, 13B teilweise aufgenommen ist. Somit ist die Zwischenkreisleitung teilweise im Inneren des Kühlkörpers 16 angeordnet. Die Stromschienen 11A, 11B, 13A, 13B, 15A, 15B erstrecken sich vom Zwischenkreiskondensator 18, in dem die Stromschienen 11A, 11B, 13A, 13B, 15A, 15B mit dem jeweiligen Potential angeschlossen sind, und im Wesentlichen senkrecht nach oben über die Oberfläche 19 (siehe 2) des Kühlkörpers 16 hinaus. Die Ausnehmung 17 ist daher hier als Durchführung ausgebildet. Auf diese Weise lassen sich die Halbleiterbauteile, die im Inneren des Leistungsmoduls 10 angeordnet sind, leicht kontaktieren, um eine gleichmäßige Zuleitungslänge zu gewährleisten.
  • 2 zeigt eine Draufsicht des Leistungsmoduls 10. Das Leistungsmodul 10 in dieser beispielhaften Ausführungsform weist sechs topologische Schalter 12, 14 auf, die drei Stromphasen zugeordnet sind, sodass für jede Stromphase zwei topologische Schalter 12, 14 (in 2 die linke, mittlere bzw. rechte Spalte der topologischen Schalter) vorgesehen sind. Die Stromschienen 11A, 11B, 15A, 15B sind seitlich des Kühlkörpers 16 angeordnet und verlaufen entlang der Ränder des Kühlkörpers 16. Die Stromschienen 13A, 13B sind zwischen den oberen topologischen Schaltern 12 und den unteren topologischen Schaltern 14 angeordnet. Die den Stromphasen zugeordneten, verschiedenen Abschnitte der Zwischenkreisleitung für alle drei Stromphasen sind daher auf einer Oberfläche 19 des Kühlkörpers 16, auf dem die topologischen Schalter 12, 14 platziert sind, zusammengeführt. Alternativ hierzu können diese verschiedenen Abschnitte der Zwischenkreisleitung im Inneren des Kühlkörpers 16 und/oder im Inneren des Zwischenkreiskondensators 18 angeordnet sein.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung des Kühlkörpers 16. Der Kühlkörper 16 ist hier in einer horizontalen Schnittansicht zu sehen. Der Kühlkörper 16 umfasst einen Kühlmedieneinlass 22, einen Kühlmedienauslass 24 und einen dazwischen angeordneten Zwischenraum zum Durchströmen mit einem Kühlmedium 30. Der Zwischenraum ist durch die Ausnehmung 17 und die diese umschließende Wand 32 in zwei Kühlkanäle 26, 28 aufgeteilt. Ein erster Kühlkanal 26 ist primär zum Abkühlen der oberen topologischen Schalter 12 ausgebildet, wobei ein zweiter Kühlkanal 28 ist primär zum Abkühlen der unteren topologischen Schalter 14 ausgebildet ist. Bei höherer Anzahl der topologischen Schalter als in 2 beispielhaft gezeigten Ausführungsform können weitere Kühlkanäle durch weitere Ausnehmungen und Wände bewerkstelligt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Leistungsmodul
    11A, 13A, 15A
    erste Stromschienen
    11B, 13B, 15B
    zweite Stromschienen
    12, 14
    topologische Schalter
    16
    Kühlkörper
    17
    Ausnehmung
    18
    Zwischenkreiskondensator
    19
    Oberfläche
    22
    Kühlmedieneinlass
    24
    Kühlmedienauslass
    26
    erster Kühlkanal
    28
    zweiter Kühlkanal
    30
    Kühlmedium
    32
    Wand

Claims (11)

  1. Leistungsmodul (10) zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs, umfassend: - mehrere Halbleiterbauteile; - einen Kühlkörper (16) zur Abfuhr durch die Halbleiterbauteile erzeugter Wärme; - einen Zwischenkreiskondensator (18), der zu den Halbleiterbauteilen parallelgeschaltet ist; - eine Zwischenkreisleitung, die den Zwischenkreiskondensator (18) mit den Halbleiterbauteilen elektrisch verbindet; wobei die Zwischenkreisleitung zumindest teilweise in einer im Kühlkörper (16) ausgebildeten Ausnehmung (17) angeordnet ist.
  2. Leistungsmodul (10) nach Anspruch 1, wobei der Zwischenkreiskondensator (18) zwischen auf einer von den Halbleiterbauteilen abgewandten Seite des Kühlkörpers (16) angeordnet ist.
  3. Leistungsmodul (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ausnehmung (17) als Durchführung ausgebildet ist, durch die die Zwischenkreisleitung vom Zwischenkreiskondensator (18) bis zu den Halbleiterbauteilen hindurchgeführt ist.
  4. Leistungsmodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Halbleiterbauteile zumindest zwei topologische Schalter (12, 14) bilden, die jeweils mehrere parallelgeschaltete Halbleiterbauteile umfassen, wobei die Zwischenkreisleitung in einem Zwischenbereich im Kühlkörper (16) zwischen den beiden topologischen Schaltern (12, 14) angeordnet ist.
  5. Leistungsmodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Halbleiterbauteile mehreren, vorzugsweise drei, sechs, neun oder zwölf, Stromphasen zugeordnet sind, wobei die Zwischenkreisleitung mehrere Abschnitte aufweist, die jeweils einer der Stromphasen zugeordnet sind.
  6. Leistungsmodul (10) nach Anspruch 5, wobei die Abschnitte der Zwischenkreisleitung auf einer vom Zwischenkreiskondensator (18) abgewandten Oberfläche (19) des Kühlkörpers (16) elektrisch zusammengeführt sind.
  7. Leistungsmodul (10) nach Anspruch 5, wobei die Abschnitte der Zwischenkreisleitung (18) im Kühlkörper (16) elektrisch zusammengeführt sind.
  8. Leistungsmodul (10) nach Anspruch 5, wobei die Abschnitte der Zwischenkreisleitung im Zwischenkreiskondensator (18) elektrisch zusammengeführt sind.
  9. Leistungsmodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei sich die Ausnehmung im Kühlkörper (16) in einer Richtung zwischen einem Einlass (22) und einem Auslass (24) des Kühlkörpers (16) erstreckt, wobei sich ein Innenraum des Kühlkörpers (16) zum Durchströmen mit einem Kühlmedium (30) durch die Ausnehmung in zwei Teilkanäle (26, 28) aufteilt.
  10. Kühlkörper (16) für ein Leistungsmodul (10), wobei der Kühlkörper (16) zur Abfuhr durch die Halbleiterbauteile erzeugter Wärme dient, wobei der Kühlkörper (16) im Inneren eine Ausnehmung (17) zur zumindest teilweisen Aufnahme einer Zwischenkreisleitung (18) des Leistungsmoduls (10) aufweist.
  11. Inverter, umfassend ein Leistungsmodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder einen Kühlkörper (16) nach Anspruch 10.
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