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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul, insbesondere ein Leistungsmodul mit einem inneren Abschirmglied.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Wechselrichter werden in der Regel zum Umwandeln von Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) verwendet, um eine dreiphasige Last, wie etwa einen Elektromotor, mit Leistung zu versorgen. Ein Wechselrichter enthält ein Leistungsmodul 1, das Leistungselemente 12, wie etwa IGBTs, MOSFETs und SiC-Bauelemente, und eine Ansteuerungsplatine 2, die diese Leistungselemente 12 ansteuert, wie in 1 gezeigt. Insbesondere umfasst das Leistungsmodul 1 einen Träger 11 zum Tragen von Leistungselementen 12 und Anschlussstiften oder Anschlüssen 13. Der Träger 11 kann Teil eines DBC (Direct Bonded Copper) oder eines IMS (Insulated Metal Substrate) sein. Ein Harz 14, das eine niedrige Dielektrizitätskonstante aufweist und spannungsarm ist, kann zum Verkapseln des Leistungsmoduls 1 verwendet werden. Die Ansteuerungsplatine 2 umfasst eine Leiterplatte 20 mit elektronischen Komponenten 21, 22 (wie etwa Ansteuerungschips, Widerstände, Kondensatoren, Dioden, Trioden usw.) auf beiden Seiten. Die Anschlussstifte übertragen Ansteuerungssignale zum Ein- und Ausschalten der Leistungselemente 12 und Sensorsignale, wie etwa Temperatursignale. Die Anschlüsse beinhalten beispielsweise Verbinder, wie etwa AC-Verbinder und DC-Verbinder, die mit anderen elektrischen Komponenten gekoppelt sind. In einem herkömmlichen Entwurf sind das Leistungsmodul 1 und die Ansteuerungsplatine 2 um einen relativ großen Abstand H voneinander beabstandet, was zu einer großen Induktivität von Gate-Schleifen führt, wodurch wiederum nicht vernachlässigbare Störungen erzeugt werden.
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Um die Induktivität von Gate-Schleifen zu reduzieren, sollte die Ansteuerungsplatine 2 näher an dem Leistungsmodul 1 angeordnet sein. Mit Annäherung der Ansteuerungsplatine 2 an das Leistungsmodul 1 kann das Leistungsmodul 1 jedoch Störungen in der Ansteuerungsplatine 2 hervorrufen und eine Fehlfunktion der Leistungselemente verursachen, es tritt nämlich ein EMV-Problem (EMV: elektromagnetische Verträglichkeit) auf.
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Durch Einfügen eines elektrischen Abschirmglieds 3 (wie etwa eines Kupferblechs) zwischen dem Leistungsmodul 1 und der Ansteuerungsplatine 2, wie in 2 gezeigt, lässt sich das EMV-Problem in gewissem Maße beheben. Da jedoch Chips und/oder elektronische Komponenten 22, wie etwa Widerstände, Kondensatoren und so weiter, auf der Rückfläche der Leiterplatte 20 vorgesehen sind, kann das Einfügen des elektrischen Abschirmglieds 3 einen Kurzschluss verursachen. Um einen Kurzschluss zu vermeiden, muss es einen Zwischenraum zwischen dem Leistungsmodul und der Ansteuerungsplatine geben. Der Zwischenraum zwischen dem Leistungsmodul und der Ansteuerungsplatine verursacht jedoch wieder die große Induktivität von Gate-Schleifen, und somit ist das Störungsproblem immer noch nicht behoben.
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KURZDARSTELLUNG
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Zur ausgeglichenen Behandlung des Störungsproblems und des EMV-Problems stellt die vorliegende Erfindung ein Leistungsmodul mit einem inneren Abschirmglied bereit. Das Leistungsmodul umfasst Folgendes: ein Gehäuse mit einem Aufnahmeraum, eine Basisplatte mit einer darauf vorgesehenen Schaltungsstruktur, wobei die Basisplatte mit dem Gehäuse zusammengefügt ist und die Schaltungsstruktur in dem Aufnahmeraum aufgenommen ist, mehrere Leistungselemente, die auf der Schaltungsstruktur vorgesehen und mit der Schaltungsstruktur elektrisch verbunden sind, ein auf Masse gelegtes Abschirmglied, das oberhalb der Leistungselemente vorgesehen ist und die elektromagnetische Störung der Leistungselemente abschirmt, ein Verkapselungsmaterial, das in dem Aufnahmeraum vorgesehen ist, wobei das Verkapselungsmaterial zumindest die Schaltungsstruktur und die Leistungselemente bedeckt, eine Abdeckung und ein Kühlglied, zusammengefügt mit der Basisplatte auf der von dem Gehäuse abgewandten Seite der Basisplatte, wobei die Abdeckung auf der an das Verkapselungsmaterial angrenzenden Seite des Gehäuses mit dem Gehäuse gekoppelt ist, die Abdeckung und die Basisplatte den Aufnahmeraum umschließen. In diesem Entwurf wird die elektromagnetische Störung der Leistungselemente durch Vorsehen des Abschirmglieds in dem Leistungsmodul wirksam abgeschirmt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Abschnitt des Aufnahmeraums zwischen der Basisplatte und dem Abschirmglied mit dem Verkapselungsmaterial gefüllt. In der Regel schützt das Verkapselungsmaterial, bei dem es sich um ein Gel handelt, die Leistungselemente und die Schaltungsstruktur vor Staub und wird als Stoßdämpfungsschicht verwendet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Abschnitt des Aufnahmeraums zwischen dem Abschirmglied und der Abdeckung mit dem Verkapselungsmaterial gefüllt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Gehäuse ferner ein Stützglied zum Stützen des Abschirmglieds.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Stützglied um einen an der inneren Seitenwand des Gehäuses vorgesehenen Flansch. Der Flansch ist vorzugsweise integral mit dem Gehäuse ausgebildet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Abschirmglied mittels eines leitfähigen Befestigungselements oder eines Drahts über eine Metallschicht in dem Gehäuse auf die Masse des Kühlglieds gelegt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Leistungsmodul ferner mehrere externe Verbinder, die mit der Schaltungsstruktur elektrisch verbunden sind, sind mehrere Durchgangslöcher zum Durchführen der externen Verbinder jeweils auf dem Abschirmglied und der Abdeckung vorgesehen, sind die externen Verbinder von dem Abschirmglied elektrisch isoliert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Abschirmglied um ein Kupferblech oder ein Aluminiumblech.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Schaltungsstruktur in einem auf der Basisplatte vorgesehenen DBC oder IMS integriert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Leistungsmodul offenbart. Das Leistungsmodul umfasst Folgendes: ein Gehäuse mit einem Aufnahmeraum, eine Basisplatte mit einer darauf vorgesehenen Schaltungsstruktur, wobei die Basisplatte mit dem Gehäuse zusammengefügt ist und die Schaltungsstruktur in dem Aufnahmeraum aufgenommen ist, mehrere Leistungselemente, die auf der Schaltungsstruktur vorgesehen und mit der Schaltungsstruktur elektrisch verbunden sind, ein auf Masse gelegtes Abschirmglied, das oberhalb der Leistungselemente vorgesehen ist und die elektromagnetische Störung der Leistungselemente abschirmt, ein Verkapselungsmaterial, das in dem Aufnahmeraum vorgesehen ist, wobei das Verkapselungsmaterial zumindest die Schaltungsstruktur und die Leistungselemente bedeckt, ein Kühlglied, zusammengefügt mit der Basisplatte auf der von dem Gehäuse abgewandten Seite der Basisplatte, wobei das Abschirmglied auf der an das Verkapselungsmaterial angrenzenden Seite des Gehäuses mit dem Gehäuse gekoppelt ist, das Abschirmglied und die Basisplatte den Aufnahmeraum umschließen. In diesem Entwurf wird das Abschirmglied als eine Abdeckung verwendet, um das Leistungsmodul so kompakt wie möglich zu machen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die von der Basisplatte abgewandte Fläche des Abschirmglieds isoliert, um einen Kurzschluss zu verhindern, wenn eine Ansteuerungsplatine auf dem Leistungsmodul vorgesehen wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine strukturierte isolierte Schicht auf der von der Basisplatte abgewandten Fläche des Abschirmglieds vorgesehen. Wenn das Leistungsmodul und die Ansteuerungsplatine zusammengebaut sind, entspricht die strukturierte isolierte Schicht einem Bereich auf der Rückfläche der Ansteuerungsplatine, in dem elektronische Elemente vorgesehen sind. Die Ansteuerungsplatine kann so nah wie möglich an dem Leistungsmodul vorgesehen sein, da elektronische Elemente aufgrund der strukturierten isolierten Schicht von dem Leistungsmodul isoliert sind, wodurch die Induktivität der Gate-Schleife wesentlich verringert wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Aufnahmeraum mit dem Verkapselungsmaterial gefüllt. In der Regel schützt das Verkapselungsmaterial, bei dem es sich um ein Gel handelt, die Leistungselemente und die Schaltungsstruktur vor Staub und wird als Stoßdämpfungsschicht verwendet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Gehäuse ferner ein Stützglied zum Stützen des Abschirmglieds.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Stützglied um einen an der inneren Seitenwand des Gehäuses vorgesehenen Flansch. Der Flansch ist vorzugsweise integral mit dem Gehäuse ausgebildet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Abschirmglied mittels eines leitfähigen Befestigungselements oder eines Drahts über eine Metallschicht in dem Gehäuse auf die Masse des Kühlglieds gelegt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Leistungsmodul ferner mehrere externe Verbinder, die mit der Schaltungsstruktur elektrisch verbunden sind, sind mehrere Durchgangslöcher zum Durchführen der externen Verbinder auf dem Abschirmglied vorgesehen, sind die externen Verbinder von dem Abschirmglied elektrisch isoliert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Schaltungsstruktur in einem auf der Basisplatte vorgesehenen DBC oder IMS integriert.
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Weitere Aspekte und Vorteile der Ausführungsformen ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen, die die Prinzipien der beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft veranschaulichen.
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Figurenliste
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Die beschriebenen Ausführungsformen und deren Vorteile werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen am besten verständlich. Diese Zeichnungen beschränken auf keinerlei Weise etwaige Änderungen an Form und Detail, die durch Fachleute an den beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzumfang der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen.
- 1 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Wechselrichters, der ein Leistungsmodul und eine Ansteuerungsplatine umfasst.
- 2 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines weiteren herkömmlichen Wechselrichters mit einem Abschirmglied.
- 3 ist eine Querschnittsansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
- 4 ist eine Querschnittsansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
- 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Leistungsmoduls in einer dreiphasigen Anwendung.
- 6 ist eine andere perspektivische Ansicht des in 5 gezeigten Leistungsmoduls.
- 7 ist eine Querschnittsansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Abdeckung ausgelassen ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Unter nun erfolgender Bezugnahme auf die Zeichnungen werden Ausführungsformen der Erfindung ausführlich beschrieben. Ein Leistungsmodul mit einem inneren Abschirmglied der ersten Ausführungsform wird ausführlich unter Bezugnahme auf 3 - 6 beschrieben. Unter Bezugnahme auf 3 und 5-6 umfasst das Leistungsmodul ein Gehäuse 1 mit einem Aufnahmeraum 10, eine Basisplatte 2, die mit dem Gehäuse 1 zusammengefügt ist, mehrere Leistungselemente 4, ein auf Masse gelegtes Abschirmglied 5 zum Abschirmen der elektromagnetischen Störung der Leistungselemente 4, eine Abdeckung 7 (siehe 5 - 6), ein Kühlglied 20 und ein Verkapselungsmaterial, das den Aufnahmeraum füllt.
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Das Gehäuse weist in der Regel eine Rahmenstruktur auf, die den Aufnahmeraum definiert, wobei eine Seite des Gehäuses mit der Basisplatte zusammengefügt ist, die andere Seite des Gehäuses mit der Abdeckung gekoppelt ist, wodurch der Aufnahmeraum umschlossen wird. Die Basisplatte 2 wird zur Bodenplatte des Leistungsmoduls, die elektronische Komponenten, darunter die Leistungselemente 4, trägt. Metalle mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Aluminium und Aluminiumlegierung oder Kupfer und Kupferlegierung, können für die Basisplatte verwendet werden. Ein Kühlglied 20 mit Pin-Fin-Struktur ist mit der Basisplatte zusammengefügt. Das Kühlglied besteht aus dem gleichen Material wie die Basisplatte.
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In der in 3 gezeigten Ausführungsform ist auf der Basisplatte 2 ein DBC (Direct Bonded Copper) 3 vorgesehen, das eine elektrische Verbindung zwischen den Leistungselementen 4 und Anschlussstiften und Anschlüssen (sogenannten externen Verbindern, wobei die Anschlussstifte und die Anschlüsse bei einigen Anwendungen mit den Leistungselementen elektrisch verbunden sind) bereitstellt. Das DBC 3 umfasst von unten nach oben eine Kupferschicht 31, eine Keramikschicht 32 und eine Schaltungsstruktur 33. Ein Fügematerial 6, wobei es sich in der Regel um Lot handelt, wird zum Zusammenfügen der Leistungselemente 4 und der Schaltungsstruktur 33 sowie des DBC 3 und der Basisplatte 2 verwendet. Das Fügematerial ist jedoch nicht auf Lot beschränkt. Als Alternative zu Lot kann zum Beispiel ein leitfähiger Klebstoff aufgebracht werden. Die Anschlussstifte, die Sensorsignale und Ansteuerungssignale übertragen, und Anschlüsse (wie etwa AC- und DC-Verbinder) könnten entweder auf dem DBC oder an dem Gehäuse vorgesehen sein.
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Das Leistungsmodul umfasst ferner ein auf Masse gelegtes Abschirmglied 5 (in 5 - 6 nicht gezeigt) zum Abschirmen der elektromagnetischen Störung der Leistungselemente 4. Bei dem Abschirmglied 5 handelt es sich um ein Kupferblech, das die Leistungselemente 4 derart bedeckt, dass die elektromagnetische Störung der Leistungselemente 4 durch das Abschirmglied 5 eingeschlossen wird. Durch Platzieren des Abschirmglieds in dem Leistungsmodul lässt sich eine Ansteuerungsplatine, die die Leistungselemente des Leistungsmoduls ansteuert, so nah wie möglich an dem Leistungsmodul platzieren, und somit wird die durch die Induktivität einer Gate-Schleife verursachte Störung mit Reduzierung des Abstands zwischen dem Leistungsmodul und der Ansteuerungsplatine größtenteils verringert.
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Damit das Abschirmglied 5 platziert werden kann, ist das Gehäuse 1 mit einem an der inneren Seitenwand des Gehäuses vorgesehenen Stützglied, wie etwa einem Flansch 11, versehen. Der Flansch ist vorzugsweise integral mit dem Gehäuse 1 ausgebildet und die obere Fläche des Flansches 11 ist durch ein Metallschichtsegment 81 bedeckt. Wie in 3 gezeigt ist das Abschirmglied 5 auf dem Metallschichtsegment 81 des Flansches 11 platziert. Auf der an die Basisplatte 2 angrenzenden Seite des Gehäuses 1 ist ein zweiter Flansch an der inneren Seitenwand des Gehäuses 1 vorgesehen und ein weiteres Metallschichtsegment 83 ist auf der oberen Fläche des zweiten Flansches ausgebildet. Darüber hinaus ist ein vertikales Metallschichtsegment 82, das die Metallschichtsegmente 81 und 83 verbindet, in der Seitenwand des Gehäuses 1 ausgebildet. Mittels der Metallschichtsegmente 81, 82 und 83 (die eine C-förmige Metallschicht bilden) und eines Drahts 91, der das Metallschichtsegment 83 mit der Basisplatte 2 verbindet, ist das Abschirmglied 5 in dem Aufnahmeraum 10 gestützt und auf Masse gelegt.
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In der Ausführungsform, in der die Anschlussstifte und die Anschlüsse auf dem DBC vorgesehen sind, sind mehrere Durchgangslöcher zum Durchführen der Anschlussstifte und der Anschlüsse jeweils auf dem Abschirmglied und der Abdeckung vorgesehen, und die Anschlussstifte und die Anschlüsse sind von dem Abschirmglied elektrisch isoliert.
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Durch Vorsehen von Verkapselungsmaterial, wie etwa Gel, in einem Abschnitt des Aufnahmeraums zwischen der Basisplatte 2 und dem Abschirmglied 5 werden die Leistungselemente 4 und die Schaltungsstruktur 33 vor Staub und Vibrationen geschützt. Vorzugsweise ist der Aufnahmeraum vollständig mit Verkapselungsmaterial gefüllt.
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Unter nun erfolgender Bezugnahme auf 4 ist das Abschirmglied 5 in einer weiteren Ausführungsform auf Masse gelegt und das Gehäuse 1 durch eine Z-förmige Metallschicht und leitfähige Befestigungselemente, wie etwa eine Schraube 92, an der Basisplatte 2 befestigt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, wie in 7 gezeigt, ist die Abdeckung ausgelassen. Das Abschirmglied 5 ist auf der an das Verkapselungsmaterial angrenzenden Seite des Gehäuses mit dem Gehäuse gekoppelt, sodass das Abschirmglied 5 und die Basisplatte 2 den Aufnahmeraum umschließen. Das Abschirmglied fungiert auch als eine Abdeckung, und daher kann das Leistungsmodul kompakter gemacht werden. Im Hinblick auf Isolierung zwischen dem Leistungsmodul und einer Ansteuerungsplatine, die Leistungselemente in dem Leistungsmodul ansteuert, ist die von der Basisplatte abgewandte Fläche des Abschirmglieds (die der Ansteuerungsplatine zugewandte Fläche) isoliert, da elektrische Komponenten auf beiden Seiten der Ansteuerungsplatine vorgesehen sind. In einer alternativen Ausführungsform ist eine strukturierte isolierte Schicht 51, beispielsweise ein strukturiertes isoliertes Band, auf der von der Basisplatte abgewandten Fläche des Abschirmglieds vorgesehen.
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In diesem Entwurf mit innerem Abschirmglied könnte die Ansteuerungsplatine so nah wie möglich an dem Leistungsmodul platziert werden, und die Induktivität einer Gate-Schleife wird signifikant reduziert. Somit ist die durch die Induktivität einer Gate-Schleife verursachte Störung vernachlässigbar. Unterdessen wird das EMV-Problem mithilfe des Abschirmglieds innerhalb des Leistungsmoduls gut eingedämmt, selbst wenn sich die Ansteuerungsplatine sehr nah an dem Leistungsmodul oder sogar mit dem Leistungsmodul in Kontakt befindet. Somit wird der Widerspruch zwischen dem Störungsproblem und dem EMV-Problem ausgeglichen.
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Eine Reihe alternativer Strukturelemente und Verarbeitungsschritte wurden für die bevorzugte Ausführungsform vorgeschlagen. Somit ist, obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, die Beschreibung für die Erfindung veranschaulichend und nicht als die Erfindung einschränkend aufzufassen. Fachleute können verschiedene Modifikationen und Anwendungen erkennen, ohne vom wahren Wesen und Schutzumfang der Erfindung gemäß der Definition durch die angehängten Ansprüche abzuweichen.
