DE102020208755A1 - 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 (10) für einen Inverter eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, umfassend Halbleiterschaltelemente (12) mit Leistungskontakten und Signalkontakten, Strompfade (13) für die Leistungskontakte und Strompfade (14) für die Signalkontakte, wobei die Leistungskontakte als Plus-Kontakte, als Minus-Kontakte und als Wechselstrom-Kontakte ausgebildet sind, wobei die Halbleiterschaltelemente (10) über die Signalkontakte schaltbar sind, so dass die Halbleiterschaltelemente (10) einen elektrischen Strom über die Leistungskontakte freigeben oder sperren und wobei das Halbbrückenmodul (10) derart ausgebildet ist, dass Schaltvorgänge der Halbleiterschaltelemente (10) zu einem Induktionseffekt in den Strompfaden (14) für die Signalkontakte führen. Das erfindungsgemäße Halbbrückenmodul (1) zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest die Strompfade (13) für die Plus-Kontakte und für die Minus-Kontakte orthogonal zu den Strompfaden (14) für die Signalkontakte verlaufen. Die Erfindung betrifft weiterhin einen entsprechenden Inverter.

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, oder als Halbbrückenmodule, die hinsichtlich Integrationsgrad und Skalierbarkeit zwischen Einzelschaltern und Brückenmodulen rangieren.
  • In der DE 10 2006 050 291 A1 wird eine elektronische Baugruppe beschrieben, 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.
  • Die noch unveröffentlichte DE 10 2019 220 010.9 - deren Offenbarung in die vorliegende Patentanmeldung vollständig einbezogen sein soll - beschreibt ein Halbbrückenmodul, 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 Halbbrückenmodule sind jedoch dahingehend nachteilbehaftet, dass sie durch die zunehmende Miniaturisierung bei gleichzeitiger Erhöhung der Betriebsspannungen und Betriebsströme eine zunehmende elektromagnetische Kopplung der Lastpfade und der Ansteuerpfade der Halbleiterschaltelemente aufweisen. Je nach Richtung einer Stromänderung bzw. Spannungsänderung im Lastpfad kann eine entsprechende Spannung bzw. ein entsprechender Strom in den Ansteuerpfad induziert werden. Die induzierten Spannungen bzw. Ströme können dabei so groß sein, dass die Halbleiterschaltelemente ungewollt stromleitend oder stromsperrend geschaltet werden.
  • 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 Halbleiterschaltelemente mit Leistungskontakten und Signalkontakten, Strompfade für die Leistungskontakte und Strompfade für die Signalkontakte, wobei die Leistungskontakte als Plus-Kontakte, als Minus-Kontakte und als Wechselstrom-Kontakte ausgebildet sind, wobei die Halbleiterschaltelemente über die Signalkontakte schaltbar sind, so dass die Halbleiterschaltelemente einen elektrischen Strom über die Leistungskontakte freigeben oder sperren und wobei das Halbbrückenmodul derart ausgebildet ist, dass Schaltvorgänge der Halbleiterschaltelemente zu einem Induktionseffekt in den Strompfaden für die Signalkontakte führen. Das erfindungsgemäße Halbbrückenmodul zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest die Strompfade für die Plus-Kontakte und für die Minus-Kontakte orthogonal zu den Strompfaden für die Signalkontakte verlaufen.
  • 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 Halbleiterschaltelemente, insbesondere in Form von Transistoren und Dioden, wobei die Halbleiterschaltelemente Leistungskontakte und Signalkontakte aufweisen.
  • Die Signalkontakte dienen dabei dem Schalten der Halbleiterschaltelemente. Je nach Ausbildung der Halbleiterschaltelemente können dann durch eine Bestromung der Signalkontakte oder durch eine Spannungsbeaufschlagung der Signalkontakte die Halbleiterschaltelemente stromleitend bzw. stromsperrend geschaltet werden.
  • Die Leistungskontakte der Halbleiterschaltelemente erlauben das Übertragen von elektrischer Leistung von einem Leistungskontakt zu einem weiteren Leistungskontakt, je nachdem, ob das entsprechende Halbleiterschaltelement stromleitend oder stromsperrend geschaltet ist. Über die Leistungskontakte wird auch die elektrische Versorgung des Elektromotors zum Antrieb des Elektrofahrzeugs oder des Hybridfahrzeugs gewährleistet. Dabei sind unterschiedliche Arten von Leistungskontakten vorgesehen, nämlich Plus-Kontakte, Minus-Kontakte und Wechselstrom-Kontakte, wobei die Plus-Kontakte der Zuleitung von elektrischem Strom dienen und die Minus-Kontakte der Ableitung von elektrischem Strom dienen. Die Wechselstrom-Kontakte schließlich dienen der eigentlichen Versorgung des Elektromotors mit elektrischem Strom durch Bereitstellen der vom Elektromotor benötigten Wechselspannung.
  • Das Halbbrückenmodul umfasst weiterhin Strompfade für die Leistungskontakte und Strompfade für die Signalkontakte, wobei die Strompfade dabei die Strompfade von den entsprechenden äußeren Anschlüssen des Halbbrückenmoduls zu den jeweiligen Kontakten der Halbleiterschaltelemente darstellen. Über die Strompfade für die Signalkontakte können also die Halbleiterschaltelemente geschaltet werden und über die Strompfade für die Leistungskontakte kann die Leistungsversorgung des Elektromotors erfolgen.
  • Da die Halbleiterschaltelemente zum Schalten von vergleichsweise hohen Strömen in vergleichsweise kurzen Zeiten ausgebildet sind, insbesondere zum Schalten im Bereich von einigen Nanosekunden ausgebildet sind, entstehen bei jedem Schaltvorgang, insbesondere in den Strompfaden der Leistungskontakte, entsprechend starke Magnetfelder. Da die Strompfade für die Leistungskontakte alleine schon aufgrund der vorgegebenen Größe eines Halbbrückenmoduls zwingend in der Nähe der Strompfade der Signalkontakte angeordnet sind, erzeugen die Magnetfelder dort eine entsprechend starke induktive Wirkung, induzieren also ungewollt Ströme bzw. Spannungen in die Strompfade für die Signalkontakte. In analoger Art und Weise erfolgt auch das Induzieren von Spannungen und Strömen in die Strompfade der Leistungskontakte, was jedoch aufgrund der dort geführten, vergleichsweise großen Spannungen bzw. Ströme, im Verhältnis vernachlässigbar ist.
  • Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass zumindest die Strompfade für die Plus-Kontakte und für die Minus-Kontakte orthogonal zu den Strompfaden für die Signalkontakte verlaufen. Entsprechend sind die von den Strompfaden für die Plus-Kontakte und für die Minus-Kontakte erzeugten Magnetfelder im Wesentlichen parallel zu von den Strompfaden für die Signalkontakte aufgespannten Leiterschleifen. Daraus ergibt sich die technische Wirkung, dass eine induktive Kopplung der Ströme bzw. Spannungen in den Strompfaden für die Signalkontakte an das durch die Strompfade für die Leistungskontakte verursachte Magnetfeld deutlich reduziert werden kann. Entsprechend kann auch eine unerwünschte Beeinflussung des Schaltzustands der Halbleiterschaltelemente reduziert bzw. sogar vollständig vermieden werden. Somit werden die vom erfindungsgemäßen Halbbrückenmodul bereitgestellten Wechselspannungen bzw. Wechselströme zuverlässiger und präziser bereitgestellt.
  • Die an den Wechselstrom-Kontakten bzw. den Strompfaden für die Wechselstrom-Kontakte erfolgenden Stromänderungen sind im Vergleich zu den Einschaltvorgängen bzw. Abschaltvorgängen der Halbleiterschaltelemente vergleichsweise langsam und im Bereich von einigen Hertz. Dementsprechend erzeugt der bereitgestellte Wechselstrom eine vergleichsweise geringe induktive Wirkung, die in der Regel vernachlässigbar ist und nicht zu unerwünschten Schaltvorgängen der Halbleiterschaltelemente führen kann.
  • Unter dem Begriff „orthogonal“ wird im Sinne der Erfindung nicht ausschließlich eine exakte Rechtwinkligkeit verstanden, sondern auch eine Ausrichtung im Bereich zwischen 60° bis 120°, bevorzugt zwischen 70° bis 110°, besonders bevorzugt zwischen 80° und 100°.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass zumindest die Strompfade für die Plus-Kontakte und für die Minus-Kontakte gegenüber den Strompfaden für die Signalkontakte einen Höhenversatz aufweisen. Unter einem Höhenversatz wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass verschiedene Elemente des Halbbrückenmoduls, beispielsweise die Strompfade für die Plus-Kontakte bzw. für die Minus-Kontakte einerseits und die Strompfade für die Signalkontakte andererseits, ausgehend von einer Grundfläche des Halbbrückenmoduls, auf verschiedenen Ebenen angeordnet sind. Durch diesen Höhenversatz ergibt sich eine vergleichsweise größere Beabstandung der Strompfade für die Plus-Kontakte bzw. für die Minus-Kontakte gegenüber den Strompfaden für die Signalkontakte, wodurch das von den Strompfaden für die Leistungskontakte erzeugte Magnetfeld an den Strompfaden für die Signalkontakte entsprechend schwächer ausgeprägt ist. Somit ist eine in die Strompfade für die Signalkontakte induzierte Spannung bzw. ein induzierter Strom ebenfalls vergleichsweise schwächer.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Strompfade für die Leistungskontakte als metallische Kontaktelemente ausgebildet sind und dass die Strompfade für die Signalkontakte als Bonddrähte ausgebildet sind. Da die Signalkontakte in der Regel nicht mit hohen Strömen beaufschlagt werden müssen und die Bereitstellung einer möglichst hohen Leitfähigkeit deshalb keine bzw. nahezu keine Rolle spielt, kann in diesem Fall durch die elektrische Kontaktierung mittels der Bonddrähte eine in jedem Fall sichere Schaltbarkeit der Halbleiterschaltelemente gewährleistet werden, wobei gleichzeitig die Bonddrähte so flexibel sind, dass sie beispielweise um ein Kontaktelement herum angeordnet werden können bzw. über ein Kontaktelement hinweg angeordnet werden können, also in keinem Fall die Anordnung der vergleichsweise unflexiblen Kontaktelemente einschränken. Die Möglichkeiten der räumlichen und geometrischen Anordnung von Kontaktelementen werden somit nicht eingeschränkt. Somit ergibt sich also die Möglichkeit einer sehr flexiblen und dennoch leistungsfähigen elektrischen Anbindung der Halbleiterschaltelemente im Halbbrückenelement.
  • Die Kontaktelemente 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 Kontaktelemente 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.
  • Bevorzugt ist es vorgesehen, dass das Halbbrückenmodul weiterhin ein Substrat umfasst, wobei die Halbleiterschaltelemente auf dem Substrat angeordnet sind. Das Substrat kann beispielsweise als DBC- (Direct Bonded Copper) Substrat, als AMB-(Active Metal Brazing) Substrat oder als IM- (Insulated Metal) Substrat ausgebildet sein kann.
  • Das Substrat ist zudem bevorzugt rechteckig ausgebildet, insbesondere als flaches, scheibenartiges Rechteck, mit je zwei gegenüberliegenden, gleich langen Seitenkanten. Ggf. kann das Substrat auch quadratisch ausgebildet sein.
  • Die Halbleiterschaltelemente des Halbbrückenmoduls sowie die Strompfade für die Leistungskontakte und die Strompfade für die Signalkontakte sind vorteilhaft mittels einer Moldmasse vergossen. Dies schützt das Halbbrückenmodul vor Umwelteinflüssen und insbesondere mechanischen Beschädigungen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Strompfade für die Leistungskontakte gegenüber den Strompfaden für die Signalkontakte derart angeordnet sind, dass die Schaltvorgänge der Halbleiterschaltelemente in den Strompfaden für die Signalkontakte eine den Schaltvorgängen entgegengerichtete induktive Wirkung erzeugen. Das bedeutet also, dass die Strompfade für die Signalkontakte Leiterschleifen bilden, die von den bei den Schaltvorgängen in den Strompfaden für die Leistungskontakte erzeugten Magnetfeldern schaltrichtungsabhängig so durchdrungen werden, dass eine induzierte Spannung bzw. ein induziertet Strom dem jeweiligen Schaltvorgang entgegenwirkt. Trotz der im Wesentlichen orthogonalen Ausrichtung der Strompfade für die Signalkontakte zu den Strompfaden Leistungskontakte kann eine Induktion in den Strompfaden für die Signalkontakte nämlich nicht vollständig vermieden werden. Indem die Strompfade für die Signalkontakte, insbesondere die Bonddrähte, nun derart angeordnet werden, dass sie ausgeführte Schaltvorgänge nicht weiter verstärken, sondern ihnen entgegenwirken, kann insgesamt ein verbessertes Schaltverhalten des Halbbrückenmoduls gewährleistet werden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Strompfade für die Signalkontakte an verschiedenen Stellen des Halbbrückenmoduls mit allerdings identischer Magnetfeldstärke gruppiert sind. Das bedeutet also, dass die Strompfade für die Signalkontakte, insbesondere die Bonddrähte, nicht ausschließlich eine definierte Ausrichtung zu den Strompfade für die Plus-Kontakte und für die Minus-Kontakte aufweisen, sondern darüber hinaus zusätzlich relativ zu den Strompfaden für die Plus-Kontakte und für die Minus-Kontakte eine definierte Position aufweisen, so dass sich ein weiterer vorteilhafter Effekt ergibt: Da eine gewisse Induktion in den Strompfaden für die Signalkontakte nämlich trotz der im Wesentlichen orthogonalen Ausrichtung zu den Strompfaden für die Plus-Kontakte und für die Minus-Kontakte unvermeidbar ist, kann durch entsprechende Positionierung der Strompfade für die Signalkontakte in Bereichen identischer Magnetfeldstärke gewährleistet werden, dass die induktiven Effekte in allen Strompfaden für die Signalkontakte im Wesentlichen gleich stark ausgebildet sind. Somit kommt es auch zu einer im Wesentlichen gleichen Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente und daraus folgend zu einer im Wesentlichen gleichen Belastung der Halbleiterschaltelemente.
  • Bevorzugt werden die Gruppen von Strompfaden für die Signalkontakte in einer Weise angeordnet, dass die magnetische Rückwirkung des Laststroms auf die Strompfade weitgehend identisch ist. Wie sich gezeigt hat, bietet sich hierfür eine Gruppierung in den seitlichen Randbereichen des Halbbrückenmoduls an.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Strompfade für die Leistungskontakte Leistungsanschlüsse zu einer externen Leistungsbeaufschlagung aufweisen und dass die Strompfade für die Signalkontakte Signalanschlüsse zu einer externen Signalbeaufschlagung aufweisen, wobei die Leistungsanschlüsse zumindest der Strompfade für die Plus-Kontakte und für die Minus-Kontakte an anderen Seiten des Halbbrückenmoduls angeordnet sind als die Signalanschlüsse. Die Strompfade für die Leistungskontakte verlaufen also von den Leistungsanschlüssen zu den Leistungskontakten der Halbleiterschaltelement. Indem bereits die Leistungsanschlüsse räumlich entfernt von den Signalanschlüssen angeordnet werden, kann auch eine vergleichsweise größere Beabstandung der Strompfade für die Leistungskontakte zu den Strompfaden für die Signalkontakte gewährleistet werden..
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Leistungsanschlüsse und die Signalanschlüsse alle von einer Oberseite des Halbbrückenmoduls aus zugänglich und innerhalb einer vom Halbbrückenmodul aufgespannten Grundfläche angeordnet sind. Daraus ergibt sich einerseits der Vorteil, dass die Leistungsanschlüsse und die Signalanschlüsse auf einfache Weise alle aus der gleichen Richtung, insbesondere von oben, kontaktiert werden können. Außerdem ergibt sich der weitere Vorteil, dass das Halbbrückenmodul eine besonders geringe Streuinduktivität der Kommutierungszelle aufweist sowie ebenfalls niedrige Induktivitäten der Signalanschlüsse aufweist. Beides dient dem Ziel eines möglichst verlustarmen Schaltens. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass sich die Leistungsanschlüsse und die Signalanschlüsse nicht mehr zur Seite hin erstrecken und nicht außerhalb der vom Substrat aufgespannten Grundfläche positioniert sind. Hierdurch ergeben sich auch Bauraumvorteile.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Strompfade für die Wechselstrom-Kontakte parallel zu den Strompfaden für die Signalkontakte verlaufen. Die Wechselstrom-Kontakte stellen dabei einen sinusförmigen Wechselstrom mit einer Frequenz von nur einigen Hertz bereit, so sich vergleichsweise geringe Stromänderungen über die Zeit ergeben. Demgegenüber weisen die Halbleiterschaltelemente bei einem Schaltvorgang Stromänderungen mit typischen Anstiegszeiten im Bereich von etwa 10-9 s auf, was im Vergleich zu starken induktiven Effekten führt. Wie sich herausgestellt hat, ist es insofern vorteilhaft, die Strompfade für die Signalkontakte in der Nähe der Wechselstrom-Kontakte zu positionieren, um damit den Abstand zu den Strompfaden für die Plus-Kontakte und für die Minus-Kontakte zu vergrößern.
  • 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 ein der Anmelderin bekanntes Halbbrückenmodul für einen Inverter eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs,
    • 2 beispielhaft einen Stromverlauf durch die Leistungskontakte sowie Spannungsverläufe an den Signalkontakten des Halbbrückenmoduls der 1 unmittelbar nach einem Schaltvorgang,
    • 3 beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbbrückenmoduls für einen Inverter eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs und
    • 4 beispielhaft einen Stromverlauf durch die Leistungskontakte sowie Spannungsverläufe an den Signalkontakten des Halbbrückenmoduls der 3.
  • 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 ein der Anmelderin bekanntes Halbbrückenmodul 10 für einen Inverter eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs. Das Halbbrückenmodul 10 umfasst ein Substrat 11, welches beispielsgemäß als DBC- (Direct Bonded Copper) Substrat 11 mit einer keramischen Trägerplatte und beidseitiger Kupferbeschichtung ausgebildet ist, sowie auf einer Oberfläche des Substrats 11 planar angeordnete Halbleiterschaltelemente 12 mit Leistungskontakten und Signalkontakten. Das Halbbrückenmodul 10 umfasst weiterhin Strompfade 13 für die Leistungskontakte und Strompfade 14 für die Signalkontakte, wobei die Leistungskontakte als Plus-Kontakte, als Minus-Kontakte und als Wechselstrom-Kontakte ausgebildet sind und wobei die Halbleiterschaltelemente 12 über die Signalkontakte schaltbar sind, so dass die Halbleiterschaltelemente 12 einen elektrischen Strom über die Leistungskontakte freigeben oder sperren. Die Leistungskontakte und die Signalkontakte sind dabei jeweils spezifische Oberflächenabschnitte der Halbleiterschaltelemente 12 und in der Darstellung der 11 zumindest teilweise durch die als metallische Kontaktelemente 13 ausgebildeten Strompfade 13 für die Leistungskontakte verdeckt. Die Strompfade 14 für die Signalkontakte sind als Bonddrähte 14 ausgebildet. Die Strompfade 13 für die Leistungskontakte weisen an ihren Enden Leistungsanschlüsse 13', 13" und 13''' zu einer externen Leistungsbeaufschlagung auf, wobei die Leistungskontakte als Plus-Anschlüsse 13', als Minus-Anschlüsse 13" und als Wechselstrom-Anschlüsse 13'" ausgebildet sind. Die Strompfade 14 für die Signalkontakte weisen an ihren Enden jeweils Signalanschlüsse 14' auf. Wenn über die Signalanschlüsse 14' und die Strompfade 14 für die Signalkontakte eine Strombeaufschlagung der Signalkontakte erfolgt, löst dies einen Schaltvorgang in den jeweiligen Halbleiterschaltelementen 12 aus. Bei einem Schaltvorgang werden die jeweiligen Halbleiterschaltelemente 12 stromleitend oder stromsperrend geschaltet, je nach Spannungsbeaufschlagung der Signalkontakte. Ein derartiger Schaltvorgang führt innerhalb nur weniger Nanosekunden dazu, dass ein Strom entweder von den Plus-Anschlüssen 13' oder den Minus-Anschlüssen 13" zu den Wechselstrom-Anschlüssen 13''' übertragen wird. Eine derartig schnelle Stromänderung bewirkt dabei ein starkes Magnetfeld und einen starken induktiven Effekt insbesondere in den durch die Bonddrähte 14 gebildeten Leiterschleifen, was wiederum zu einem ungewollten zusätzlichen Strom in den Bonddrähten 14 führt. Dieser zusätzliche, induzierte Strom wiederum bewirkt einen Ansteuereffekt an den Signalkontakten der Halbleiterschaltelemente 12, was in Folge die Stromleitfähigkeit der Halbleiterschaltelemente 12 beeinflusst bzw. ungewollt teilweise bis vollständig sperren oder ungewollt teilweise bis vollständig freischalten kann. Insbesondere im Bereich der Plus-Anschlüsse 13' verläuft der Strompfad 13 für die Leistungskontakte ein Stück weit parallel zu den Bonddrähten 14, so dass sich hier eine starke induktive Kopplung ergibt.
  • 2 zeigt beispielhaft einen Stromverlauf 21 durch die Leistungskontakte sowie Spannungsverläufe 20 an den Signalkontakten des Halbbrückenmoduls 10 der 1 unmittelbar nach einem Schaltvorgang. Der Stromanstieg in einem Halbleiterschaltelement 12 durch den Schaltvorgang ist dabei durch die Linie 21 dargestellt. Wie zu sehen ist, steigt der Strom innerhalb weniger Nanosekunden auf seinen Sollwert. Der schnelle Stromanstieg jedoch führt zu einem starken Magnetfeld, was wiederum zu den durch die Spannungsverläufe 20 dargestellten Schwingungen in den Strompfaden 13 für die Signalkontakte führt. Diese Schwingungen beeinflussen ihrerseits die Leitfähigkeit der Halbleiterschaltelemente 12.
  • 3 zeigt beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbbrückenmoduls 10 für einen Inverter eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs. Das Halbbrückenmodul 10 der 3 unterscheidet sich vom Halbbrückenmodul 10 der 1 zunächst durch die Anordnung der Bonddrähte 14 und der Plus-Anschlüsse 13' im unteren Teil der 3: Die Bonddrähte 14, welche den Strompfad 14 für die Signalkontakte darstellen, und die Plus-Anschlüsse 13', welche zumindest teilweise den Strompfad 13 für die Leistungskontakte darstellen, sind im Wesentlichen orthogonal zueinander ausgerichtet, so dass sich nur eine geringe Induktionswirkung in den von den Bonddrähten 14 gebildeten Leiterschleifen ergibt. Zudem ergibt sich durch die seitliche Anordnung der Plus-Anschlüsse 13' neben den Minus-Anschlüssen 13" eine größere Beabstandung zwischen den Plus-Anschlüsse 13' und den Bonddrähten 14. Im Vergleich zu 1 weisen die Plus-Anschlüsse 13' zudem einen größeren Höhenversatz gegenüber der Bonddrähten 14 auf. Schließlich wurden die Bonddrähte 14 auch an verschiedenen Stellen des Halbbrückenmoduls 10 mit identischer Magnetfeldstärke gruppiert, nämlich an den seitlichen Rändern des Halbbrückenmoduls. Somit werden die von den Bonddrähten 14 gebildeten Leiterschleifen alle im Wesentlichen gleichmäßig von den durch die Stromänderungen erzeigten Magnetfeldern durchflutet, was im Wesentlichen auch zu identischen Induktionseffekten führt. Zudem wurde die Anordnung der Bonddrähte 14 in der 3 gegenüber der Anordnung der Bonddrähte 14 in der 1 dahingehend geändert, dass eine gegensinnige Kopplung zwischen einem jeweils in die Bonddrähte 14 induzierten Strom und einer Ansteuerung der Signalkontakte besteht.
  • 4 zeigt beispielhaft einen Stromverlauf 21 durch die Leistungskontakte sowie Spannungsverläufe 20 an den Signalkontakten des Halbbrückenmoduls 10 der 3 unmittelbar nach einem Schaltvorgang. Wie zu sehen ist, sind die Spannungsverläufe 20 aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung des Halbbrückenmoduls 10 deutlich geringer als in 2.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Halbbrückenmodul
    11
    Substrat
    12
    Halbleiterschaltelement
    13
    Strompfad für die Leistungskontakte, Kontaktelement
    13'
    Leistungsanschluss, Plus-Anschluss
    13"
    Leistungsanschluss, Minus-Anschluss
    13'''
    Leistungsanschluss, Wechselstrom-Anschluss
    14
    Strompfad für die Signalkontakte, Bonddraht
    14'
    Signalanschluss
    20
    Spannungsverlauf in den Strompfaden für die Signalkontakte
    21
    Stromanstieg
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006050291 A1 [0004]
    • DE 102006008632 A1 [0005]
    • DE 102019220010 [0006]

Claims (9)

  1. Halbbrückenmodul (10) für einen Inverter eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, umfassend Halbleiterschaltelemente (12) mit Leistungskontakten und Signalkontakten, Strompfade (13) für die Leistungskontakte und Strompfade (14) für die Signalkontakte, wobei die Leistungskontakte als Plus-Kontakte, als Minus-Kontakte und als Wechselstrom-Kontakte ausgebildet sind, wobei die Halbleiterschaltelemente (10) über die Signalkontakte schaltbar sind, so dass die Halbleiterschaltelemente (10) einen elektrischen Strom über die Leistungskontakte freigeben oder sperren und wobei das Halbbrückenmodul (10) derart ausgebildet ist, dass Schaltvorgänge der Halbleiterschaltelemente (10) zu einem Induktionseffekt in den Strompfaden (14) für die Signalkontakte führen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Strompfade (13) für die Plus-Kontakte und für die Minus-Kontakte orthogonal zu den Strompfaden (14) für die Signalkontakte verlaufen.
  2. Halbbrückenmodul (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Strompfade (13) für die Plus-Kontakte und für die Minus-Kontakte gegenüber den Strompfaden (14) für die Signalkontakte einen Höhenversatz aufweisen.
  3. Halbbrückenmodul (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strompfade (13) für die Leistungskontakte als metallische Kontaktelemente (13) ausgebildet sind und dass die Strompfade (14) für die Signalkontakte als Bonddrähte (14)ausgebildet sind.
  4. Halbbrückenmodul (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strompfade (13) für die Leistungskontakte gegenüber den Strompfaden (14) für die Signalkontakte derart angeordnet sind, dass die Schaltvorgänge der Halbleiterschaltelemente (12) in den Strompfaden (14) für die Signalkontakte eine den Schaltvorgängen entgegengerichtete induktive Wirkung erzeugen.
  5. Halbbrückenmodul (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strompfade (14) für die Signalkontakte an verschiedenen Stellen des Halbbrückenmoduls (10) mit allerdings identischer Magnetfeldstärke gruppiert sind.
  6. Halbbrückenmodul (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strompfade (13) für die Leistungskontakte Leistungsanschlüsse (13', 13", 13''') zu einer externen Leistungsbeaufschlagung aufweisen und dass die Strompfade (14) für die Signalkontakte Signalanschlüsse (14') zu einer externen Signalbeaufschlagung aufweisen, wobei die Leistungsanschlüsse (13', 13", 13'") zumindest der Strompfade (13) für die Plus-Kontakte und für die Minus-Kontakte an anderen Seiten des Halbbrückenmoduls (10) angeordnet sind als die Signalanschlüsse (14').
  7. Halbbrückenmodul (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsanschlüsse (13', 13", 13''') und die Signalanschlüsse (14') alle von einer Oberseite des Halbbrückenmoduls (10) aus zugänglich und innerhalb einer vom Halbbrückenmodul (10) aufgespannten Grundfläche angeordnet sind.
  8. Halbbrückenmodul (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strompfade (13) für die Wechselstrom-Kontakte parallel zu den Strompfaden (14) für die Signalkontakte verlaufen.
  9. Inverter für einen elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, umfassend mindestens drei Halbbrückenmodule (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8.
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