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Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronikanordnung für ein Kraftfahrzeug, aufweisend wenigstens eine Leistungselektronikschaltung mit wenigstens einem Zwischenspeicher für elektrische Energie, eine der Leistungselektronikschaltung zur Entladung des Zwischenspeichers zugeordnete Entladeschaltung mit einem Entladewiderstand und eine Kühlvorrichtung zur Kühlung der Leistungselektronikanordnung, wobei die Kühlvorrichtung einen metallischen Kühlkörper aufweist. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Leistungselektronikanordnung.
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Hybrid- und Elektrokraftfahrzeuge, mithin Kraftfahrzeuge, die einen aus einer Hochspannungsbatterie betreibbaren Elektromotor aufweisen, sind im Stand der Technik bereits bekannt. Derartige elektrifizierte Kraftfahrzeuge weisen ein Hochspanungsbordnetz auf, an das neben dem Elektromotor und der Hochspannungsbatterie auch Leistungselektronikanordnungen angebunden sind. Derartige Leistungselektronikanordnungen stellen beispielsweise Leistungselektronikschaltungen wie Antriebsumrichter, Gleichspannungswandler, Onboard-Ladegeräte (OBC - On Board Charger), elektrische Klimakompressoren und/oder elektrische Heizer bereit. BeispielhafteSpannungslagen in Hochspannungsnetzen von elektrifizierten Kraftfahrzeugen liegen im Bereich von 350-860 V Gleichspannung.
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Leistungselektronikschaltungen derartiger Leistungselektronikkomponenten weisen häufig Zwischenspeicher für elektrische Energie auf, beispielsweise Zwischenkreiskondensatoren und/oder EMV X-Kondensatoren. Ist ein solcher Zwischenspeicher als elektrischer Energiespeicher vorgesehen, muss die Leistungselektronikanordnung aus Gründen der Gebrauchssicherheit sowie der funktionalen Sicherheit auch eine Entladeschaltung zur aktiven Entladung des Zwischenspeichers aufweisen, welche üblicherweise ein Halbleiter-Schaltelement und einen Entladewiderstand, also eine ohmsche Last, über welche die Energie des Zwischenspeichers beim Entladen in Wärme umgewandelt wird, aufweist. Hierbei existieren für die aktive Entladung Vorgaben hinsichtlich der Entladezeiten sowie des Mindestspannungsniveaus.
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Zur konkreten Umsetzung der Entladeschaltung ist es bekannt, zumindest den Entladewiderstand als ein eigenes, massives Modul auszugestalten. Aufgrund der hohen Zwischenkreisspannung des Zwischenspeichers und der hohen Entladeleistung ist die äußerst massive Auslegung des Entladewiderstands notwendig, damit dieser die mit dem Entladen einhergehende thermische Belastung aufnehmen kann. Hieraus resultiert ein großer, bauraumintensiver Entladewiderstand, welcher innerhalb der Leistungselektronikanordnung separat verschraubt wird.
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In einer anderen Ausgestaltung wurde im Stand der Technik vorgeschlagen, den Entladewiderstand auf eine Leiterplatte aus einer Vielzahl von kleinen Widerständen aufzubauen, beispielsweise aus 20 bis 100 pulsfesten SMD-Dickschicht-Widerständen. In derartigen Ausgestaltungen entsteht neben den hohen Kosten der Einzelwiderstände der Nachteil, dass diese eine erhebliche Fläche auf der Leiterplatte benötigen und im Betrieb einen großen Wärmeeintrag auf der Leiterplatte/Platine erzeugen.
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Zusammenfassend wird die Entladeschaltung gemäß bekannter Ausgestaltungen mit diskreten Bauelementen auf herkömmlichen Leiterplatten und/oder als eigene Baueinheiten realisiert. Die Kühlung der Entladeschaltung, insbesondere des Entladewiderstands, erfolgt durch freie Konvektion an Luft mit Umgebungstemperatur im Inneren der Leistungselektronikanordnung. Auch hinsichtlich der Entladeschaltung existieren aus Sicht der funktionalen Sicherheit Anforderungen, beispielsweise, dass die aktive Entladung mehrfach unmittelbar hintereinander durchgeführt werden kann und hierbei die in dem Zwischenkreis im Zwischenspeicher eingespeicherte Energie in Wärme umwandelt, woraus wiederum hohe Anforderungen an Robustheit und Lebensdauer resultieren. Dies sorgt für eine komplexe Auslegung der Entladeschaltung, im Speziellen des Entladewiderstands. Im ungünstigen Fall sind aufgrund der hohen Verlustleistung mehrere Entladewiderstände notwendig.
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Insgesamt existiert also eine Vielzahl von Nachteilen solcher herkömmlicher Entladeschaltungen. So existiert ein hoher Kostenaufwand für Materialkosten, insbesondere, was die Entladewiderstände angeht. Auch die Aufbau- und Verbindungstechnik sowie die Anbindung der Entladewiderstände kann hohe Kosten mit sich bringen. Aufgrund schlechter Kühlanbindung kann eine Überdimensionierung der Entladeschaltung notwendig sein. Zur Überwachung der Entladewiderstände kann eine zusätzliche Temperaturmessung notwendig werden. Es ist zusätzlicher Bauraum bzw. zusätzliche Fläche auf der Leiterplatte notwendig.
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Ferner existieren hohe Entwicklungskosten und hohe Entwicklungsaufwände. Diese beziehen sich beispielsweise auf den Integrationsaufwand der Entladewiderstände auf der Leiterplatte oder innerhalb eines Gehäuses der Leistungselektronikanordnung. Ferner sind die Auslegung der Entladeschaltung mit entsprechender thermischer Masse sowie zusätzliche Filter- oder Entstörmaßnahmen der Temperaturmessung zu nennen. Dennoch verbleibt eine eher schlechte Robustheit der Entladeschaltung bzw. konkret des Entladewiderstands. Durch die aktive Entladung kann auch ein Wärmeeintrag in die Leistungselektronikschaltung bzw. Leiterplatte auftreten. Durch die thermische Belastung resultiert zudem eine Lebensdauereinschränkung der Entladeschaltung und bei Wärmeeintrag in die Leistungselektronikschaltung auch für die Leistungselektronikschaltung.
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DE 11 2017 001 217 T5 betrifft einen Leistungswiderstand zur Wärmeableitung, der in einem Fahrzeug als kontinuierlicher Entladewiderstand verwendet wird. Der Widerstand umfasst ein Widerstandssubstrat mit Paarelektroden und einem Widerstandselement. Es ist ferner ein äußeres Isoliermaterial vorgesehen, dass mindestens die Oberseite und die Seitenoberfläche des Widerstandssubstrats bedeckt. Es wird eine gesicherte Isolierkriechstrecke zwischen den Leiterabschnitten des Widerstands und dem Metallgehäuse, in dem der Widerstand untergebracht ist, bereitgestellt. Dies stellt mithin ein Beispiel für ein als eigene Baueinheit, mithin diskretes Bauelement, ausgestalteten Entladewiderstand dar, wobei dort vorgesehen sein kann, dass der Entladewiderstand mittels einer Schraube an einem Kühlkörper befestigt werden kann.
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JP 2017 069 371 A betrifft eine Entladewiderstandseinrichtung mit einem Kühler, der für eine Einsparung an Gewicht unter Zusicherung verlässlicher Kühlung des Entladewiderstands ausgebildet sein soll. Dabei sind ein erster Widerstand und ein zweiter Widerstand Seite an Seite auf einer Oberfläche eines Isolators befestigt, auf dessen andere Seite eine Metallschicht und ein Kühler laminiert sind. Die Widerstände werden als diskrete Bauelemente aufgebracht.
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US 2013/0272043 A1 betrifft einen elektrischen Leistungswandler mit einem Kühler, einer Leiterplatte, einem Kondensator und einem Entladewiderstand für den Kondensator. Dabei sind ein Halbleitermodul, der Kühler, der Kondensator und der Entladewiderstand auf einer Hauptoberfläche der Leiterplatte angeordnet. Dabei kann auch ein diskretes Widerstandselement auf einem Kühler angebracht werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine insbesondere hinsichtlich des Platzbedarfs und der Entwärmung eines Entladewiderstands verbesserte Leistungselektronikanordnung für ein Kraftfahrzeug anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Leistungselektronikanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kühlkörper wenigstens abschnittsweise von einer elektrisch isolierenden Isolatorschicht bedeckt ist, auf welcher der Entladewiderstand als eine Leiterbahn angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß wird mithin vorgeschlagen, den Entladewiderstand als eine Widerstandsstruktur unmittelbar auf den Kühlkörper innerhalb der Leistungselektronikanordnung als eine Leiterbahn aufzubringen. Durch die direkte Anbindung an den Kühlkörper und die damit verbundene Minimierung des thermischen Widerstands kann ein bestmöglicher Wärmetransfer stattfinden. Es wird eine Bauform erreicht, welche über keine eigenständige thermische Masse verfügt und zudem neue Freiheitsgrade bei der Integration ermöglicht. Der Entladewiderstand wird als eine insbesondere mäanderförmige Leiterbahn ausgeführt, im Gegensatz zu den bisher üblichen diskreten elektronischen Bauelementen. Dabei kann besonders vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Kühlkörper, die Isolatorschicht und eine die Leiterbahn bildende Leiterschicht eine IMS-Struktur bilden. IMS steht für den englischen Ausdruck „Insulated Metal Substrate“ wobei der Kühlkörper als die metallene Basisplatte aufgefasst werden kann, die von einer dünnen Isolatorschicht aus einem Dielektrikum bedeckt ist, der wiederum die dünne leitfähige Schicht, aus der die Leiterbahnen bestehen, folgt. Hierbei, aber auch allgemein, kann der Kühlkörper zweckmäßigerweise aus Aluminium und/oder die Leiterbahn aus Kupfer bestehen und/oder die Isolatorschicht kann ein Polymer und/oder eine Keramik und/oder ein Prepreg-Material umfassen. Kühlkörper für Leistungselektronikanordnungen aus Aluminium wurden grundsätzlich bereits vorgeschlagen, während Kupfer häufig zur Realisierung von Leitungsbahnen auf Schaltungsträgern eingesetzt wird. Mit besonderem Vorteil kann dann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine Kupferfolie mittels eines Prepreg-Materials auf den insbesondere aus Aluminium bestehenden Kühlkörper laminiert wird. „Prepreg“ ist dabei ein Kurzwort für „Preimpregnated Fibers“, also vorimprägnierte Fasern, wobei zum Imprägnieren üblicherweise Reaktionsharz, beispielsweise Epoxidharz, verwendet wird. Prepreg-Materialien sind textile Faser-Matrix-Halbzeuge, die in automatisierten Prozessen eingesetzt werden können, um die Isolatorschicht zumindest abschnittsweise auf den Kühlkörper aufzubringen und somit die Grundlage für die Leiterbahn, welche aus einer Kupferfolie entstehen kann, dient. Mit anderen Worten kann eine mittels Prepreg-Material auf den Kühlkörper laminierte Kupferfolie letztlich beliebig strukturiert werden, hier um den Entladewiderstand zu schaffen. Dabei können beispielsweise übliche, Masken verwendende Verfahren eingesetzt werden.
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Letztendlich entsteht also ein Schichtaufbau, in dem auf den Kühlkörper zunächst die Isolationsschicht, bevorzugt mit einer Dicke von 50 µm bis 200 µm, aus einem Dielektrikum aufgebracht wird, worauf wiederum die Leiterbahnschicht, insbesondere als Kupferschicht, folgt, welche bevorzugt eine Dicke von 20 µm bis 400 µm aufweisen kann. Dabei wird die Isolatorschicht bevorzugt möglichst dünn gehalten, um eine gute Wärmeabfuhr in Richtung des Kühlkörpers bereitzustellen.
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Hierbei kann mit besonderem Vorteil die den Entladewiderstand bildende Leiterbahn mäanderförmig verlaufen. Eine derartige Verlaufsform bietet eine ideale Platzausnutzung und eine flächige Anbindung an den Kühlkörper, was einen hinreichend großflächigen und verbesserten Wärmeeintrag von der Leiterbahn in den Kühlkörper ermöglicht und gleichzeitig ein weiter kompaktifiziertes Design bereitstellt.
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Allgemein kann also gesagt werden, dass die Entladeschaltung in Leistungselektronikanordnungen, also Hochspannungskomponenten, deutlich vereinfacht werden kann. Durch die Einbringung des Entladewiderstands an den Kühlkörper kann der Entladewiderstand erheblich reduziert, konkret als insbesondere mäanderförmige Leiterbahn, ausgeführt werden. Dadurch werden neue Bauformen ohne eigene thermische Masse ermöglicht. Neben erheblichem Einsparpotential von Bauraum und Kosten wird zudem die Lebensdauer und Robustheit der Entladeschaltung gesteigert. Auch die Flexibilität der Verortung des Entladewiderstands wird damit deutlich erhöht. So kann dieser innerhalb der Leistungselektronikanordnung, insbesondere eines Gehäuses der Leistungselektronikanordnung, an alle Kühlflächen angebracht werden und muss nicht beispielsweise auf einer Leiterplatte angeordnet werden.
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Zusammenfassend ergibt sich also eine Reduzierung des Kostenaufwands für Materialkosten, nämlich niedrige Materialkosten für den Entladewiderstand durch die vorgeschlagene Kühlanbindung, nachdem eine einfache Umsetzung der Kupferleiterbahn als elektrischer Widerstand (ohmsche Last) möglich ist. Es ist keine Vielzahl von Entladewiderständen auf einer Leiterplatte mehr notwendig. Auch in der Herstellung und der Montage ist, wie bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahren noch genauer erläutert werden wird, der Kostenaufwand deutlich reduziert, nachdem lediglich das Laminieren und Strukturieren notwendig ist. Die Robustheit der Entladeschaltung zur aktiven Entladung des Zwischenspeichers wird allgemein durch die hervorragende Anbindung an die insbesondere aktive Kühlung gesteigert, nachdem der thermische Stress reduziert wird und somit die Lebensdauer erhöht wird. Nachdem als Entladewiderstand lediglich eine Kupferleiterbahn erforderlich ist, wird das Gewicht der Entladeschaltung deutlich reduziert, genau wie der benötigte Bauraum bzw. die Baugröße. Die Flexibilität wird gesteigert, nachdem der Entladewiderstand maximal flexibel an Kühlflächen des Kühlkörpers adaptierbar ist.
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Mit besonderem Vorteil kann dabei vorgesehen sein, dass die Entladeschaltung ferner einen Halbleiterschalter umfasst, welcher ebenso auf der Isolatorschicht des Kühlkörpers angeordnet ist. Durch die Nutzung der Isolatorschicht wird, wie bei einer sonstigen IMS-Struktur, letztlich ein Bauelementträger bereitgestellt, auf welchem nach geeigneter Strukturierung hinsichtlich der Leiterbahn auch weitere Bauelemente der Entladeschaltung angeordnet werden können, insbesondere der üblicherweise verwendete Halbleiterschalter, welcher beispielsweise als ein IGBT und/oder ein MOSFET ausgebildet sein kann. Damit ist auch eine verbesserte Entwärmung des Halbleiterschalters möglich.
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Ein weiterer, besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass insbesondere bei der Ausbildung der Leiterbahn durch Strukturierung aus einer metallischen Schicht, insbesondere Kupferschicht, ein großer Designfreiraum besteht, mithin der Entladewiderstand optimal den Anforderungen angepasst werden kann. So kann vorgesehen sein, dass die Dicke und die Länge der Leiterbahn zur Einstellung eines vorgegebenen Widerstandswerts für den Entladewiderstand gewählt sind. Beispielsweise kann der elektrische Widerstandswert durch gezieltes Einbringen einer mäanderförmigen Leiterbahnstruktur in Abhängigkeit der Dicke sowie der Länge der Leiterbahn eingestellt werden. Durch Variation der Mäander bzw. allgemein der Leiterbahnstrecke und Dicke ist eine äußerst präzise Wahl des elektrischen Widerstandswerts möglich. Die in dem Entladewiderstand entstehende Wärme durch die elektrische Verlustleistung bei der aktiven Entladung des Zwischenspeichers wird großflächig an den Kühlkörper angebunden und somit bestmöglich gespreizt.
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Durch zusätzliches Aufbringen des Halbleiterschalters der Entladeschaltung wird diese letztlich vollständig auf einer Oberfläche des Kühlkörpers umgesetzt und auch der Halbleiterschalter kann besonders vorteilhaft über den Kühlkörper unmittelbar entwärmt werden.
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Im Stand der Technik wurden bereits kompakt ausgebildete Leistungselektronikanordnungen vorgeschlagen, bei denen die als Leistungselektronikmodule umgesetzten Leistungselektronikschaltungen unmittelbar an der Kühlvorrichtung, insbesondere auch dem Kühlkörper, befestigt werden können. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es nun möglich, freibleibende Anteile der Oberfläche des Kühlkörpers zum Aufbringen der äußerst kleinbauend umgesetzten Entladeschaltung zu nutzen.
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So sieht eine zweckmäßige Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vor, dass die wenigstens eine Leistungselektronikschaltung in einem Leistungselektronikmodul aufgenommen ist, wobei das Leistungselektronikmodul auf dem Kühlkörper befestigt ist. Mit anderen Worten können die Leistungselektronikmodule Baueinheiten bilden, welche zur Kühlung unmittelbar mit dem Kühlkörper verbunden werden, insbesondere also auf diesem befestigt werden. In diesem Zusammenhang kann zweckmäßigerweise der Kühlkörper in seinem Inneren einen durch ein Kühlmittel durchströmbaren Kanal und das Leistungselektronikmodul eine Kühlstruktur aufweisen, wobei die Kühlstruktur in den Kanal einragt. Die Kühlstruktur kann beispielsweise durch Finnen gebildet sein. Im Grundzustand weist der Kühlkörper mithin den durch ein Kühlmittel durchströmbaren Kanal mit Öffnungen auf, in welchen das wenigstens eine Leistungselektronikmodul derart eingesetzt werden kann, dass die Kühlstruktur in den Hohlraum, der den Kanal bildet, einragt. Das Leistungselektronikmodul wird sodann dichtend, beispielsweise durch festes Verschrauben und/oder Verschweißen, befestigt. Somit wird die Kühlstruktur des Leistungselektronikmoduls unmittelbar durch das Kühlmittel, welches im Allgemeinen insbesondere Wasser sein kann, umspült, was auch für die Leistungselektronikschaltungen eine hervorragende Kühlung ermöglicht. Die Kühlstruktur kann dabei insbesondere durch sogenannte „PinFins“ gebildet sein, mithin durch eine Vielzahl von stiftartigen Kühlfinnen.
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In einer beispielshaften, konkreten Ausgestaltung kann es sich bei der Leistungselektronikanordnung beispielsweise um eine Umrichteranordnung für eine Synchronmaschine als Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs handeln, wobei dann eine der Zahl der Phasen der Synchronmaschine entsprechende Anzahl von als einzelne Baueinheiten realisierten Umrichtermodulen vorgesehen sein können, die auf dem Kühlkörper entsprechend befestigt sind. Bei elektrifizierten Kraftfahrzeugen, beispielsweise rein elektrischen Kraftfahrzeugen (EV), hybridelektrischen Kraftfahrzeugen (HEV) und/oder Plug-In-Hybriden (PHEV) sind als elektrischer Traktionsantrieb üblicherweise dreiphasige Elektromotoren (Synchronmaschinen) vorgesehen. Der Umrichter dient dann zur Anbindung an das Gleichspannung nutzende Hochspannungsbordnetz. Selbstverständlich sind jedoch andere konkrete Ausgestaltungen der Leistungselektronikanordnung denkbar, beispielsweise Gleichspannungswandler und dergleichen. Allgemein sei angemerkt, dass bei mehreren Leistungselektronikschaltungen, insbesondere in Leistungselektronikmodulen, selbstverständlich auch mehrere Entladeschaltungen vorgesehen sein können, insbesondere eine für jede Leistungselektronikschaltung, die einen Zwischenspeicher aufweist.
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Bei einer Ausgestaltung mit an der Kühlvorrichtung, konkret dem Kühlkörper, befestigtem Leistungselektronikmodul kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass die Leiterbahn des Entladewiderstands in einem dem wenigstens einen Leistungselektronikmodul benachbarten seitlichen Randbereich des Kühlkörpers, insbesondere benachbart dem Kühlkanal und/oder im Bereich eines Kühlmitteleinlasses oder Kühlmittelauslasses des Kühlkörpers, angeordnet ist. Die Verortung der aktiven Entladung auf dem Kühlkörper kann mithin beispielsweise randseitig seitlich benachbart zu dem wenigstens ein Leistungselektronikmodul erfolgen, beispielsweise in den Bereichen, in denen der Kühlmitteleinlass und der Kühlmittelauslass des Kühlmittelkanals vorgesehen sind, sodass dann auch eine Nähe zum zur aktiven Kühlung zirkulierenden Kühlmittel besteht. Zudem werden diese bislang nicht genutzten Anteile einer Nutzung zugeführt.
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Die letztlich benachbarte Anordnung von Entladeschaltung und Leistungselektronikmodul erlaubt auch eine besonders einfach umsetzbare Kontaktierung. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die vollständig auf der Isolatorschicht angeordnete Entladeschaltung von dem Leistungselektronikmodul über Kontakte an Kontaktpunkten elektrisch kontaktiert wird. Beispielsweise sind hier Nadelkontakte denkbar. Das Leistungselektronikmodul wird dann zweckmäßig nach der Aufbringung des Entladewiderstands, bevorzugt der gesamten Entladeschaltung, an dem Kühlkörper befestigt, sodass durch diese Befestigung vollständig automatisch auch die Kontaktierung mit der Entladeschaltung hergestellt wird, sodass der Zwischenspeicher, insbesondere ein Zwischenkreiskondensator, der Leistungselektronikschaltung über die Entladeschaltung entladen werden kann.
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Neben der Leistungselektronikanordnung betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Leistungselektronikanordnung. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Leistungselektronikanordnung für ein Kraftfahrzeug, wobei die Leistungselektronikanordnung wenigstens eine Leistungselektronikschaltung mit wenigstens einem Zwischenspeicher für elektrische Energie, eine der Leistungselektronikschaltung zur Entladung des Zwischenspeichers zugeordnete Entladeschaltung mit einem Entladewiderstand und eine Kühlvorrichtung zur Kühlung der Leistungselektronikanordnung aufweist, wobei die Kühlvorrichtung einen metallischen Kühlkörper aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass der Entladewiderstand als eine Leiterbahn auf einer elektrisch isolierenden Isolatorschicht des Kühlkörpers realisiert wird. Sämtliche Ausführungen bezüglich der erfindungsgemäßen Leistungselektronikanordnung lassen sich analog auf das Verfahren übertragen und umgekehrt. Insbesondere können somit dieselben Vorteile erreicht werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung kann dabei vorgesehen sein, dass die Isolatorschicht als ein Prepreg-Material aufgebracht wird. Dabei können die Fasern beispielsweise mit einem Harz vorimprägniert sein, welches nach dem Aufbringen ausärtet, um die Isolatorschicht zu bilden. Die Isolatorschicht kann beispielsweisweise eine Dicke zwischen 50 und 200 µm aufweisen.
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Zunächst kann eine geschlossene Metallschicht, insbesondere eine Kupferschicht und/oder als Folie, auf die Isolatorschicht aufgebracht werden, aus welcher, insbesondere unter Verwendung einer Maske, die den Entladewiderstand bildende Leiterbahn geformt wird. Mit besonderem Vorteil kann dabei die Metallschicht, insbesondere als Kupferfolie, durch den zuvor bereits beschriebenen Prepreg-Prozess auflaminiert werden. Dabei dient die Isolatorschicht mithin als Befestigungsmittel für die Metallschicht, insbesondere Kupferfolie. Zusätzlich stellt sie die elektrische Isolation zwischen dem Kühlkörper, der insbesondere aus Aluminium besteht, und der Metallschicht dar.
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Anschließend kann die Metallschicht letztlich beliebig strukturiert werden, vorliegen, indem wenigstens die den Entladewiderstand bildende Leiterbahn geformt wird, welche bevorzugt mäanderförmig ist. In diesem Zusammenhang, aber auch allgemein, kann vorgesehen sein, dass die Länge und die Dicke der Leiterbahn zur Einstellung eines vorbestimmten Widerstandswerts für den Entladewiderstand gewählt werden. In einer konkreten Ausgestaltung kann beispielsweise vorgesehen sein, das übliche Strukturierungsverfahren für eine mittels des Prepreg-Materials auflaminierte Kupferfolie verwendet werden, insbesondere unter Verwendung einer Maske oder dergleichen.
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Mit besonderem Vorteil kann auf der Isolatorschicht, an die Leiterbahn angeschossen, auch ein Halbleiterschalter der Entladeschaltung positioniert werden. Insbesondere lässt sich die anhand der Isolationsschicht und der Metallschicht/Leiterbahn hergestellte Struktur als eine IMS-Struktur verstehen, welche auch dazu dienen kann, zusätzlich zu Leiterbahnstrukturen Bauelemente aufzubringen, vorliegend insbesondere einen Halbleiterschalter der Entladeschaltung. Der Halbleiterschalter kann beispielsweise ein IGBT oder ein MOSFET sein.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens in diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass die als ein Leistungselektronikmodul realisierte Leistungselektronikschaltung nach der Realisierung des Entladewiderstands, insbesondere auch nach der Aufbringung des Halbleiterschalters, an dem Kühlkörper derart an dem Kühlkörper befestigt wird, dass an dem Leistungselektronikmodul vorgesehene Kontakte die Entladeschaltung an Kontaktpunkten elektrisch kontaktieren. Dabei kann die Ausgestaltung insbesondere derart sein, dass durch die Befestigung des Leistungselektronikmoduls automatisch auch die elektrische Kontaktierung zu der Entladeschaltung hergestellt wird.
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Dabei sein an dieser Stelle sowohl für die Leistungselektronikanordnung als auch für das Verfahren noch angemerkt, dass es grundsätzlich auch denkbar ist, lediglich den Entladewiderstand auf der Oberfläche des Kühlkörpers vorzusehen. Andere Anteile der Entladeschaltung, beispielsweise der Halbleiterschalter, können dann auch seitens anderer Komponenten, insbesondere in dem Leistungselektronikmodul, vorgesehen werden. Auch in solchen Fällen ist selbstverständlich eine einfache Kontaktierung, dann letztlich innerhalb der Entladeschaltung, möglich.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Leistungselektronikanordnung einer ersten Ausführungsform,
- 2 einen Querschnitt durch die Leistungselektronikanordnung der 1,
- 3 eine Schichtstruktur im Bereich einer Entladeschaltung,
- 4 die Entladeschaltung,
- 5 eine Aufsicht auf eine Leistungselektronikanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- 6 einen Entladewiderstand in der zweiten Ausführungsform, und
- 7 eine Prinzipskizze eines Kraftfahrzeugs.
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Die 1 und 2 zeigen eine Aufsicht bzw. einen Querschnitt wesentlicher Komponenten einer Leistungselektronikanordnung 1 einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Dabei ist von einer Kühlvorrichtung 2 der Übersichtlichkeit halber nur ein Kühlkörper 3 gezeigt, der vorliegend aus Aluminium ausgebildet ist. Der Kühlkörper 3 definiert in seinem Inneren einen Hohlraum, der als Kanal 4 für Kühlmittel dient und mithin mit einem Einlass 5 für das Kühlmittel und einem Auslass 6 für das Kühlmittel verbunden ist.
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Die Leistungselektronikanordnung 1 umfasst ferner hier nur schematisch gezeigte Leistungselektronikmodule 7, die ersichtlich an dem Kühlkörper 3 befestigt sind. Beispielsweise kann es sich um Umrichtermodule für verschiedene Phasen, aber auch um andere Leistungselektronikschaltungen realisierende Leistungselektronikmodule handeln. Jedes Leistungselektronikmodul 7 weist eine Kühlplatte 8 auf, an deren Unterseite eine Kühlstruktur 9, welche beispielsweise pin- bzw. stiftartige Kühlfinnen umfassen kann, angeordnet ist. Die Kühlstruktur 9 sowie zumindest ein unterer Anteil der Kühlplatte 8 bestehen ebenso aus Aluminium. Die Kühlstruktur 9 ragt durch eine oberseitige Öffnung des Kühlkörpers 3 in den Kanal 4 ein, wo sie von dem durchfließenden Kühlmittel, hier Wasser, zur erzwungenen Konvektion und somit Kühlung umspült wird. Um den Kanal 4 nach außen abzuschließen, können die Leistungselektronikmodule 7 beispielsweise durch Laserschweißen um die Öffnung herum an die Kühlplatte 3 angeschweißt sein.
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In einem seitlichen Randbereich 10, neben den Leistungselektronikmodulen 7, ist vorliegend auf der Oberfläche des Kühlkörpers 3 eine Entladeschaltung 11 mit einem Entladewiderstand 12 und einem Halbleiterschalter 13, beispielsweise einem IGBT oder MOSFET, angeordnet. Die Entladeschaltung 11 dient dem aktiven Entladen wenigstens eines Zwischenspeichers für elektrische Energie wenigstens eines der Leistungselektronikmodule 7. Bei dem der Übersichtlichkeit halber nicht näher gezeigten Zwischenspeicher kann es sich beispielsweise um einen Zwischenkreiskondensator handeln.
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Zur Realisierung der Entladeschaltung 11 auf der grundsätzlich zunächst metallischen Oberfläche des Aluminium-Kühlkörpers 3 ist zumindest lokal im Randbereich 10 eine Schichtstruktur aufgebracht worden, wie sie in 3 näher gezeigt ist. Demgemäß ist auf dem Kühlkörper 3 eine aus einem Dielektrikum bestehende, elektrisch isolierende Isolatorschicht 14 angeordnet, der eine Kupferfolie 15 als Metallschicht folgt, die strukturiert wurde, um als eine Leiterbahn 16, vergleiche auch 4, die hier mäanderförmig verläuft, den Entladewiderstand 12 zu schaffen sowie allgemeine Kontaktpunkte 17 bzw. Flächen für den Halbleiterschalter 13 bereitzustellen.
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Vorliegend wurde für die Isolatorschicht 14 ein Prepreg-Material verwendet, um unmittelbar mit ihrer Schaffung auch die Kupferfolie 15 aufzulaminieren. Von IMS-Strukturen bekannte Techniken können eingesetzt werden. Danach erfolgt die Strukturierung anhand eines vorgegebenen Widerstandswerts für den Entladewiderstand 12 derart, dass sich aufgrund der Dicke und Länge der Leiterbahn 16 der vorgegebene Widerstandswert ergibt. Danach kann der Halbleiterschalter 13 (sowie gegebenenfalls weitere Bauelemente) aufgesetzt werden. Erst dann ist bei der Herstellung vorgesehen, die Leistungselektronikmodule 7 zu befestigen, nachdem diese, was in den Figuren der Übersichtlichkeit halber nicht genauer gezeigt ist, Kontakte aufweisen, die beim Befestigen automatisch die zugehörigen Kontaktpunkte 17 kontaktieren. Selbstverständlich sind auch andere Kontaktierungsmöglichkeiten, beispielsweise Bonden, grundsätzlich denkbar.
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Die Aufbringung der Entladeschaltung 11 auf den Kühlkörper 3 entspricht einer Nutzung der IMS-Technologie, so dass sich um eine IMS-Struktur handelt. Die Isolatorschicht 14 weist dabei eine Dicke von 50µm bis 200µm auf, während die Kupferfolie 15 als Kupferschicht eine Dicke von 20µm bis 400µm aufweisen kann.
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Zusammenfassend erlaubt also die Ausführung des Kühlkörpers 3 in den Randbereichen 10 neben den Leistungselektronikmodulen 7 eine Verortung der Entladeschaltung 11 für die aktive Entladung, woraus auch eine Kühlanbindung des Entladewiderstands 12 und im vorliegenden Ausführungsbeispiel auch des Halbleiterschalters 13 resultiert. Sollen für verschiedene Leistungsmodule jeweils Entladeschaltungen 11 vorgesehen werden, ist es selbstverständlich auch denkbar, mehr als die eine gezeigte Entladeschaltung 11 auf den Kühlkörper 3 aufzubringen.
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Die 5 und 6 erläutern eine alternative, zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leistungselektronikanordnung 18. Bei dieser ist von der Entladeschaltung 11 lediglich der Entladewiderstand 12 als mäanderförmig verlaufende Leiterbahn 16 auf der Kühlplatte 3 vorgesehen.
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7 zeigt eine Prinzipskizze eines Kraftfahrzeugs 19. Bei dem Kraftfahrzeug 19 kann es sich beispielsweise um ein Elektrokraftfahrzeug oder ein Hybridkraftfahrzeug handeln. Hierzu weist das Kraftfahrzeug 19 in seinem Antriebsstrang einen Elektromotor 20 auf, der beispielsweise als eine Synchronmaschine ausgebildet sein kann. Der Elektromotor 20 kann über ein Hochspannungsnetz 21, dessen Spannung beispielsweise im Bereich von 350-860 V Hochspannung liegen kann, von einer Hochspannungsbatterie 22 gespeist werden bzw. diese im generatorischen Betrieb laden. In dem Hochspannungsnetz 21 ist nun wenigstens eine erfindungsgemäße Leistungselektronikanordnung 1, 18 vorgesehen. Beispielsweise kann diese als Umrichtereinheit dem Elektromotor 20 vorgeschaltet sein oder als Gleichspannungswandler eine Verbindung zu einem Niederspannungsbordnetz des Kraftfahrzeugs 19 aufbauen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112017001217 T5 [0009]
- JP 2017069371 A [0010]
- US 2013/0272043 A1 [0011]
