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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Leistungsmodule zum Betreiben eines Elektroantriebs für ein Fahrzeug.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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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.
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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.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Leistungsmodul zu ermöglichen, bei dem Streuinduktivität reduziert wird und das Schaltverhalten der Leistungsschalter verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Leistungsmodul und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
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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.
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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.
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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.
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Die einzelnen Halbleiterbauteile werden normalerweise zu sogenannten topologischen Schaltern zusammengefasst. Jeder topologische Schalter weist mehrere parallelgeschaltete Halbleiterbauteile auf. 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.
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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.
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Der Erfindung liegt deshalb die technische Aufgabe zugrunde, die aufgrund von Streuinduktivitäten auftretenden Spannungssprünge im Leistungsmodul wirksamer zu bekämpfen.
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Erfindungsgemäß wird die obige Aufgabe durch das Leistungsmodul, den Kühlkörper und den Inverter gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
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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.
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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.
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Die mehreren Halbleiterbauteile bilden vorzugsweise eine oder mehrere Halbbrücken. Die Halbbrücke umfasst eine Highside und eine Lowside, die zur Highside reihengeschaltet ist. Die Highside und die Lowside umfassen jeweils einen topologischen Schalter mit mehrere parallelgeschaltete Halbleiterbauteile umfasst. 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.
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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. Der Kühlkörper ist zwischen den Halbleiterbauteilen und dem Zwischenkreiskondensator angeordnet.
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Eine Zwischenkreisleitung umfassend mehrere Stromschienen ist dazu vorgesehen, um den Zwischenkreiskondensator mit den Halbleiterbauteilen elektrisch zu verbinden. Die Zwischenkreisleitung erstreckt sich auf einer vom Kühlkörper abgewandten Seite der Halbleiterbauteile senkrecht zu einer Flussrichtung eines im Kühlkörper enthaltenen Kühlmediums.
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Auf diese Weise lassen sich Halbleiterbauteile, die im Inneren des Leistungsmoduls angeordnet sind, einfacher mit dem Stromeingang, beispielsweise dem DC-Eingang des Leistungsmoduls, elektrisch verbinden. Somit ist das Leistungsmodul in seiner Stromübertragungsleistung besser skalierbar. Gleichzeitig kann die Streuinduktivität des Leistungsmoduls eingeschränkt werden, 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.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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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 Leistungsmoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 3 eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 4 eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 5 eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 6 eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 7 eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 8 eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
- 9 eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls 100 in einer Draufsicht. Das Leistungsmodul 100 umfasst einen Kühlkörper 102, der einen Einlass 104 und einen Auslass 106 umfasst. Im Kühlkörper 102 ist ein Kühlmedium enthalten, deren Flussrichtung durch zwei Pfeile angedeutet ist. Oberhalb des Kühlkörpers 102 sind mehrere Halbleiterbauteile angeordnet, die hier beispielhaft sechs Halbbrücken 101a-c, 103a-c bilden. Diese Halbbrücken 101a-c, 103a-c sind jeweils einer von drei Stromphasen zugeordnet. Die in der Zeichnungsebene linken drei Halbbrücken 101a, 103a sind einer ersten Stromphase zugeordnet. Die in der Zeichnungsebene mittleren drei Halbbrücken 101b, 103b sind einer zweiten Stromphase zugeordnet. Die in der Zeichnungsebene rechten drei Halbbrücken 101c, 103c sind einer dritten Stromphase zugeordnet. Die Halbleiterbauteile können IGBT, MOSFET und/oder HEMT umfassen. Die Halbleiterbauteile können auf einem oder mehreren Halbleitermaterialien, etwa Silizium, Siliziumcarbid, Galiumnitrid, basieren. Jede Halbbrücke 101a-c, 103a-c umfasst eine Highside und eine Lowside, die jeweils mehrere parallelgeschaltete Halbleiterbauteile umfassen.
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Das als Inverter dienende Leistungsmodul 100 hat einen Stromeingang (nicht gezeigt) zum Einspeisen eines Eingangsstroms und einen Stromausgang (nicht gezeigt) zum Auskoppeln eines Ausgangsstroms, der basierend auf dem Eingangsstrom mittels Ansteuerung der Halbleiterbauteile erzeugt ist. Die Halbleiterbauteile sind mittels einer Zwischenkreisleitung DC-seitig mit einem Zwischenkreiskondensator (nicht gezeigt) kontaktiert. Die Zwischenkreisleitung umfasst einen positiven Pol und einen negativen Pol. Der positive Pol umfasst erste Längsleitung 108, eine zweite Längsleitung 118 und eine dritte Längsleitung 112, die sich parallel zur Flussrichtung des Kühlmediums, insbesondere parallel zu einer durch den Einlass 104 und den Auslass 106 definierten Linie, erstrecken. Der negative Pol umfasst erste Längsleitung 110, eine zweite Längsleitung 116 und eine dritte Längsleitung 114, die sich parallel zur Flussrichtung des Kühlmediums, insbesondere parallel zur durch den Einlass 104 und den Auslass 106 definierten Linie, erstrecken. Die erste und zweite Längsleitung 108, 110, 116, 118 sind in zwei einander gegenüberliegenden Randbereichen des Kühlkörpers 102 angeordnet. Die dritte Längsleitung 112, 114 ist in einem mittleren Bereich des Kühlkörpers 102 zwischen den ersten Halbbrücken 101a-c und den zweiten Halbbrücken 103a-c angeordnet.
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Zusätzlich umfasst der positive Pol mehrere Querleitungen 122, 126, wobei der negative Pol mehrere Querleitungen 120, 124 umfasst. Diese Querleitungen 120, 122, 124, 126 verbinden die dritte Längsleitung 112, 114 mit der ersten bzw. zweiten Längsleitung 108, 110, 116, 118. Wie in 1 gezeigt, sind jeder Halbbrücke 101a-c, 103a-c jeweils zwei solche Querleitungen für den positiven Pol und für den negativen Pol zugeordnet.
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Die einzelnen Halbleiterbauteile sind mittels positiver elektrischer Kontakte 128 bzw. negativer elektrischer Kontakte 130 mit den Längsleitungen 108, 110, 116, 118 und/oder den Querleitungen 120, 122, 124, 126 verbunden. Die elektrischen Kontakte 128, 130 sind vorzugsweise in einem Randbereich der Halbbrücken 101a-c, 103a-c angeordnet, was eine einfache Kontaktierung mit begrenzter Zuleitungslänge und damit einhergehend reduzierter Streuinduktivität begünstigt.
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Stromausgangsseitig werden die Halbleiterbauteile der einzelnen Halbbrücken 101a-c, 103a-c mittels mehrerer Ausgangskontakte 132 mit einem Stromausgang 134a-c elektrisch verbunden. Der jeweilige Stromausgang 134a-c der einzelnen Stromphasen ist als ein balkenförmiger Kontakt ausgebildet, der in der gezeigten Zeichnung von oben auf die Ausgangskontakte 132 aufgebracht sind.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls 200 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Das Leistungsmodul 200 ist im Wesentlichen dem in 1 gezeigten Leistungsmodul 100 ähnlich aufgebaut. Der einzige Unterschied zwischen beiden Ausführungsformen besteht darin, dass bei der in 2 gezeigten Ausführungsform neben den ersten Halbbrücken 201a, 201b, 201c und den zweiten Halbbrücken 203a, 203b, 203c zusätzlich dritte Halbbrücken 205a, 205b, 205c angeordnet sind. Dementsprechend ist für jede Stromphase zusätzlich eine weitere Querleitung im positiven Pol und negativen Pol vorgesehen, die sich in der Zeichnungsebene quer über den Halbbrücken 205a-c erstreckt.
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3 zeigt eine Schnittansicht eines Leistungsmoduls 300 gemäß einer weiteren Ausführung. Hier ist neben einer Halbbrücke 301, einem Kühlkörper 302 und einer Zwischenkreisleitung 320 ein Zwischenkreiskondensator 338 zu sehen, der auf einer von der Halbbrücke 301 abgewandten Seite des Kühlkörpers 302 angeordnet ist. Die Zwischenkreisleitung 320 erstreckt sich beidseitig des Schichtaufbaus aus dem Zwischenkreiskondensator 338, dem Kühlkörper 302, der Halbbrücke 301 und zwischen dieser und einer Ansteuerplatine 336, die zur Ansteuerung der Halbleiterbauteile der Halbbrücke 301 dient. Eine solche Anordnung der Zwischenkreisleitung 320 ist vorteilhaft, um eine einfache stromeingangsseitige Kontaktierung der Halbleiterbauteile zu ermöglichen.
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4 zeigt eine Schnittansicht eines Leistungsmoduls 400 gemäß einer weiteren Ausführung. Hier sind wie bei der in 3 gezeigten Ausführungsform eine Halbbrücke 401, ein Kühlkörper 402, eine Zwischenkreisleitung 420, 422, ein Zwischenkreiskondensator 438 und eine Ansteuerplatine 436 zu sehen. Die Zwischenkreisleitung 420, 422 umschließt in der Schnittebene den Schichtaufbau aus dem Kühlkörper 402 und der Halbbrücke 401. Eine solche Anordnung der Zwischenkreisleitung 420, 422 ist vorteilhaft, um eine einfache stromeingangsseitige Kontaktierung der Halbleiterbauteile zu ermöglichen.
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5 zeigt eine Schnittansicht eines Leistungsmoduls 500 gemäß einer weiteren Ausführung. Hier sind wie bei der in 4 gezeigten Ausführungsform eine Halbbrücke 501a, 501b, ein Kühlkörper 502, eine Zwischenkreisleitung 520, 522, ein Zwischenkreiskondensator 538 und eine Ansteuerplatine 536 zu sehen. Die Zwischenkreisleitung 420, 422 umfasst hier zwei Schleifen, die jeweils einen Schichtaufbau aus dem Kühlkörper 402 und der ersten Halbbrücke 501a bzw. der zweiten Halbbrücke 501b umschließen. Eine solche Anordnung der Zwischenkreisleitung 520, 522 ist vorteilhaft, um eine einfache stromeingangsseitige Kontaktierung der Halbleiterbauteile zu ermöglichen.
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6 zeigt eine Schnittansicht eines Leistungsmoduls 600 gemäß einer weiteren Ausführung. Hier sind wie bei der in 4 gezeigten Ausführungsform eine Halbbrücke 601, ein Kühlkörper 602, eine Zwischenkreisleitung 620, 622, ein Zwischenkreiskondensator 638 und eine Ansteuerplatine 636 zu sehen. Die Zwischenkreisleitung 620, 622 erstreckt sich beidseitig des Schichtaufbaus aus dem Kühlkörper 602 und der Halbbrücke 601. Außerdem erstreckt sich die Zwischenkreisleitung 620, 622 zwischen dem Zwischenkreiskondensator 638 und dem Kühlkörper 602. Eine solche Anordnung der Zwischenkreisleitung 520, 522 ist vorteilhaft, um eine einfache stromeingangsseitige Kontaktierung der Halbleiterbauteile zu ermöglichen. Mehrere elektrische Verbindungen 637 sind zum Verbinden der Halbleiterbauteile mit der Ansteuerplatine vorgesehen.
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7-8 zeigen jeweils ein Leistungsmodul 700, 800 gemäß weiterer Ausführungsformen. Das in 7 gezeigte Leistungsmodul 700 umfasst einen Kühlkörper 702, mehrere Halbbrücken 701a-c, eine Zwischenkreisleitung umfassend eine erste Längsleitung 708, 710 und eine zweite Längsleitung 718, 716 sowie mehrere elektrische Kontakte 728, 730. Die elektrischen Kontakte 728, 730 sind in einem Randbereich der jeweiligen Halbbrücken 701a-c angeordnet und verbinden die in der jeweiligen Halbbrücke 701a-c enthaltenen Halbleiterbauteile mit der Längsleitung 708, 710, 716, 718. Das in 8 gezeigte Leistungsmodul 800 umfasst ebenfalls einen Kühlkörper 802, mehrere Halbbrücken 801a-c, eine Zwischenkreisleitung umfassend eine erste Längsleitung 808a-c, 810a-c und eine zweite Längsleitung 818a-c, 816a-c sowie mehrere elektrische Kontakte 828, 830. Die elektrischen Kontakte 828, 830 sind in einem Randbereich der jeweiligen Halbbrücken 801a-c angeordnet und verbinden die in der jeweiligen Halbbrücke 801a-c enthaltenen Halbleiterbauteile mit der Längsleitung 808a-c, 810a-c, 816a-c, 818a-c. Im Unterschied zu den in 7 gezeigten Längsleitungen 708, 710, 716, 718 umfassen die Längsleitungen bei der in 8 gezeigten Ausführungsform jeweils mehrere voneinander beabstandete Abschnitte, wobei jeder Abschnitt einer der mehreren Stromphasen zugeordnet ist. Auf diese Weise ist bei gleichbleibender Kontaktierungseinfachheit eine Materialeinsparung erzielt.
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9 zeigt schematisch ein weiteres Leistungsmodul 900, das einen Kühlkörper 902, mehrere erste Halbbrücken 901a-c und zweite Halbbrücken 903a-c, eine Zwischenkreisleitung umfassend eine erste Längsleitung 908, 910, eine zweite Längsleitung 918, 916 und eine dritte Längsleitung 912, 914 zwischen den ersten Halbbrücken 901a-c und den zweiten Halbbrücken 903a-c, sowie mehrere elektrische Kontakte 928, 930 umfasst. Das Leistungsmodul 900 in 9 ist daher dem Leistungsmodul 100 aus 1 im Wesentlichen ähnlich ausgebildet. Der Unterschied zum Leistungsmodul 100 aus 1 besteht darin, dass ein der ersten Halbbrücke 901a zugeordneter elektrischer Kontakt 928, 930 mit einem der zweiten Halbbrücke 903a zugeordneten elektrischen Kontakt 928, 930 einteilig gebildet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900
- Leistungsmodul
- 101a-c, 103a-c, 201a-c, 203a-c, 205a-c, 301
- Halbbrücke
- 401, 501, 601, 701a-c, 801a-c, 901a-c, 903a-c
- Halbbrücke
- 102, 202, 302, 402, 502, 602, 702, 802, 902
- Kühlkörper
- 104, 204
- Einlass
- 106, 206
- Auslass
- 108, 110, 208, 210, 708, 710, 808a-c, 810a-c, 908, 910
- erste Längsleitung
- 116, 118, 216, 218, 716, 718, 816a-c, 818a-c, 916, 918
- zweite Längsleitung
- 112, 114, 212, 214, 912, 914
- dritte Längsleitung
- 120, 122, 124, 126
- Querleitung
- 128, 130, 228, 230,728, 730, 828, 830, 928, 930
- elektrische Kontakte
- 132,232
- Ausgangskontakte
- 134a-c, 234a-c
- Stromausgang
- 320, 420, 520, 522, 620,
- 622 Zwischenkreisleitung
- 336, 436, 536, 636
- Ansteuerplatine
- 637
- elektrische Verbindungen
- 338, 438, 538, 638
- Zwischenkreiskondensator
