-
Die Erfindung betrifft eine Halbbrücke, die in einem Leistungsmodul für einen Inverter eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs eingebaut ist, ein entsprechendes Leistungsmodul 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 wird zwischen einer Batterie und einer elektrischen 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 Leistungsmodule mit einem hohen Integrationsgrad, jedoch geringer Skalierbarkeit, sowie als Halbbrücken, die hinsichtlich Integrationsgrad und Skalierbarkeit zwischen Einzelschaltern und Halbbrücken rangieren. Jede Halbbrücke umfasst eine Highside-Schaltposition (nachfolgend: „Highside“) mit einem höheren elektrischen Potential und eine Lowside-Schaltposition (nachfolgend: „Lowside“) mit einem niedrigeren elektrischen Potential. Die Highside und die Lowside können jeweils einen oder mehrere Einzelschalter/Halbleiterschaltelemente umfassen, die parallelgeschaltet sind.
-
In der
DE 10 2006 050 291 A1 wird eine elektronische Baugruppe offenbart, die einen Halbleiterleistungsschalter und eine Halbleiterdiode umfasst. Dabei umfasst eine untere Seite des Halbleiterleistungsschalters einen auf ein Chip-Feld eines Trägerstreifens montierten Ausgangskontakt. Zudem umfasst eine obere Seite des Halbleiterleistungsschalters 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. Mindestens eine zweite Kontaktfläche ist auf der zweiten Seite angeordnet. Das mindestens eine weitere elektronische Bauteil ist auf der zweiten Kontaktfläche des vertikalen Leistungshalbleiterbauelements angeordnet.
-
Aus der
DE 10 2015 012 915 A1 ist ein Halbleitermodul mit mindestens zwei Halbleiterelementen bekannt, die jeweils auf einer ersten Seite mindestens eine erste Elektrode und auf einer zweiten Seite mindestens eine zweite Elektrode aufweisen. Das erste Halbleiterelement ist über dem zweiten Halbleiterelement angeordnet. Zwischen dem ersten Halbleiterelement und dem zweiten Halbleiterelement ist eine elektrisch leitende Verbindung angeordnet. Die mindestens eine zweite Elektrode des ersten Halbleiterelements ist mit der elektrisch leitenden Verbindung mechanisch und elektrisch verbunden. Die mindestens eine erste Elektrode des zweiten Halbleiterelements ist mit der elektrisch leitenden Verbindung mechanisch und elektrisch verbunden.
-
Aus der noch unveröffentlichten
DE 10 2019 220 010.9 - deren Offenbarung in die vorliegende Patentanmeldung einbezogen sein soll - ist ein Leistungsmodul bekannt, bei dem die Signalanschlüsse und die Leistungsanschlüsse alle an einer gemeinsamen Seite des Substrats angeordnet sind und von einer Vergussmasse 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 Vergussmasse hindurch erstrecken und aus ihrer Durchtrittsrichtung durch die Vergussmasse gesehen innerhalb einer von dem Substrat aufgespannten Grundfläche angeordnet sind.
-
Aus der noch unveröffentlichten
DE 10 2020 205 420.7 - deren Offenbarung in die vorliegende Patentanmeldung einbezogen sein soll - ist ein Leistungsmodul bekannt, bei dem die Leistungsanschlüsse und die Signalanschlüsse alle in einem Flachleiterrahmen ausgeformt sind. Enden der Leistungsanschlüsse und der Signalanschlüsse erstrecken sich seitlich aus der Vergussmasse und weisen jeweils eine rechtwinklige Biegung senkrecht zu einer Fläche, entlang derer sich der Flachleiterrahmen erstreckt.
-
In jeder Halbbrücke sind mehrere Leistungsanschlüsse angeordnet, mittels derer DC-Eingangsströme in die Halbleiterschaltelemente eingespeist und AC-Ausgangsströme von den Halbleiterschaltelementen abgegriffen werden können. In jeder Halbbrücke sind ferner mehrere Signalanschlüsse zur Übertragung von Steuersignalen, insbesondere Gate-Signalen, vorgesehen, mittels derer die Halbleiterschaltelemente gezielt geschaltet werden, um einen Laststrom durch das jeweilige Halbleiterschaltelement durchzulassen beziehungsweise zu sperren. Auf diese Weise kann ein Stromfluss zwischen den einzelnen Leistungsanschlüssen ermöglicht bzw. verhindert werden.
-
Eine Ansteuerelektronik umfassend eine Leiterplatte und eine Vielzahl auf dieser angeordneter elektronischer Bauteile dient zur Erzeugung der Steuersignale. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Halbbrücken bzw. Leistungsmodulen und Invertern wird für den Fall, dass die Signalanschlüsse oberseitig der Halbbrücke kontaktiert werden, ein Rahmenteil vorgesehen, an dem die Signalanschlüsse befestigt werden. Hierbei wird das vergossene Substrat, welches bereits an einen Kühlkörper angebunden ist, samt der Halbleiterschaltelemente und Leistungs- sowie Signalanschlüsse in eine im Rahmenteil ausgebildete Lücke eingeführt und dort befestigt. Montagebedingt darf hierbei die Abmessung des Kühlkörpers jedoch die Abmessung der Lücke im Rahmenteil nicht überschreiten. Dies begrenzt die Kühlleistung des Kühlkörpers und führt zu einer unzureichenden Entwärmung der Halbbrücke bzw. des Leistungsmoduls und des Inverters.
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Halbbrücke für einen elektrischen Antrieb eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs bereitzustellen, bei der die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise überwunden sind.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Halbbrücke, das Leistungsmodul und den Inverter gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
-
Die Erfindung betrifft eine Halbbrücke für ein Leistungsmodul, welches in einem Inverter für einen elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs eingebaut ist. Das Leistungsmodul umfasst mehrere Halbbrücken, die jeweils einer der Stromphasen des ausgangsseitigen, mehrphasigen Wechselstroms entsprechen. Beispielsweise umfasst das Leistungsmodul drei Halbbrücken, wobei jede Halbbrücke einer zugehörigen Stromphase des dreiphasigen Ausgangsstroms zugeordnet ist. Der Ausgangsstrom ist ein Wechselstrom, der basierend auf einem eingangsseitigen Gleichstrom mittels gezielter Schaltvorgänge der Halbleiterschaltelemente erzeugt wird.
-
Die Halbbrücken umfassen jeweils ein Substrat, mehrere Halbleiterschaltelemente, Leistungsanschlüsse und Signalanschlüsse.
-
Das Substrat kann beispielsweise als DBC- (Direct Bonded Copper) Substrat, als DPC- (Direct Plated Copper) Substrat, als AMB- (Active Metal Brazing) Substrat oder als IM- (Insulated Metal) Substrat ausgebildet sein. Auf dem Substrat sind einerseits die Halbleiterschaltelemente angeordnet, insbesondere Transistoren und Dioden, und andererseits die zugehörigen Leistungsanschlüsse und Signalanschlüsse. Das Substrat ist bevorzugt rechteckig ausgebildet, insbesondere als flaches, scheibenartiges Rechteck, mit je zwei gegenüberliegenden Seitenkanten. Ggf. kann das Substrat auch quadratisch ausgebildet sein.
-
Die Halbleiterschaltelemente bilden in der Halbbrücke eine Highside und eine Lowside. Die Highside umfasst ein oder mehrere zueinander parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente, und ermöglicht den Stromfluss zwischen dem AC-Leistungsanschluss und dem DC-Plus-Leistungsanschluss. Die Lowside umfasst ein oder mehrere zueinander parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente und ermöglicht den Stromfluss zwischen dem AC-Leistungsanschluss und dem DC-Minus-Leistungsanschluss. Die Highside und die Lowside sind zueinander reihengeschaltet.
-
Die Leistungsanschlüsse sind ihrerseits mit in den Halbleiterschaltelementen integrierten Leistungskontakten, bspw. Source-Elektroden und Drain-Elektroden, oder mit einer Erdmasse elektrisch verbunden, so dass elektrische Leistung von einem Leistungsanschluss durch ein Halbleiterschaltelement zu einem weiteren Leistungsanschluss übertragen werden kann. Über die Leistungsanschlüsse wird dabei die elektrische Versorgung des Elektromotors zum Antrieb des Elektrofahrzeugs oder des Hybridfahrzeugs gewährleistet.
-
Die Signalanschlüsse dienen zum elektrischen Schalten der Halbleiterschaltelemente und sind entsprechend mit in den Halbleiterschaltelementen integrierten Signalkontakten der Halbleiterschaltelemente elektrisch verbunden. Je nach Ausbildung der Halbleiterschaltelemente kann dann durch eine Strom- oder Spannungsbeaufschlagung des Signalkontakts das Halbleiterschaltelement stromleitend bzw. stromsperrend geschaltet werden. Vorzugsweise werden auf diese Weise die Halbleiterschaltelemente gemäß einer Pulsbreitenmodulation (Engl.: Pulse-Width-Modulation, PWM) geschaltet, um einen sinusförmigen zeitlichen Verlauf der Phasenströme zu ermöglichen.
-
Das Substrat und die Halbleiterschaltelemente sind mit einer Vergussmasse mittels eines Spritzgussverfahrens vergossen worden, die eine zum schichtförmigen Substrat (bzw. dessen größten Flächen) parallele erste Fläche aufweist. Vorzugsweise weist die Vergussmasse eine rechteckige Form auf. Die Signalanschlüsse schauen aus der Vergussmasse heraus und weisen außerhalb der Vergussmasse jeweils einen senkrecht zur ersten Fläche ausgerichteten Schaft sowie einen Schulterabschnitt auf, der sich vom Schaft ausgehend parallel zur ersten Fläche erstreckt. Die Signalanschlüsse liegen vorzugsweise auf zwei in der Längsrichtung der Vergussmasse gegenüberliegenden Seiten bzw. Rändern der Vergussmasse. Als Material für die Vergussmasse kann beispielsweise ein duroplastisches Moldmaterial dienen.
-
Ein Rahmenteil zum Stützen der Signalanschlüsse ist im Leistungsmodul integriert und weist mehrere Öffnungen auf, die jeweils einen ersten Querschnittsbereich und einen zweiten Querschnittsbereich aufweisen. Der erste Querschnittsbereich hat eine größere Breite als der Schulterabschnitt der Signalanschlüsse, sodass der Schulterabschnitt durch den ersten Querschnittsbereich hindurchführbar ist. Der zweite Querschnittsbereich hat eine kleinere Breite als der Schulterabschnitt. Die jeweilige Öffnung weist im Querschnitt daher eine Verjüngung auf, die sich vom ersten Querschnittsbereich durchgehend bis zum zweiten Querschnittsbereich erstreckt. Hierdurch kann der Schulterabschnitt der jeweiligen Signalanschlüsse, nachdem er durch den ersten Querschnittsbereich der zugehörigen Öffnung hindurchgeführt worden ist, mittels einer horizontalen Relativbewegung zwischen dem Rahmenteil und der Vergussmasse derart in seine gewünschte Position eingefädelt werden, dass der Schulterabschnitt auf einer den zweiten Querschnittsbereich definierenden Teilfläche des Rahmenteils aufliegt. Die horizontale Relativbewegung ist entlang der Verjüngungsrichtung der jeweiligen Öffnungen. Vorzugsweise ist die horizontale Relativbewegung eine Verschiebung des Rahmenteils.
-
Auf diese Weise lässt sich das Rahmenteil mit den Signalanschlüssen und der Vergussmasse in Verbindung bringen, indem das Rahmenteil auf der vom Kühlkörper abgewandten Seite der Vergussmasse vertikal (senkrecht zur ersten Fläche der Vergussmasse) auf die Vergussmasse gefügt wird. Vorzugsweise treten beide einander gegenüberliegenden Signalanschlussreihen, alternativ drei oder mehr Signalanschlussreihen, beim Zusammenfügen des Rahmenteils mit der Halbbrücke gleichzeitig durch ihre zugehörigen Öffnungen hindurch und somit gleichzeitig in das Rahmenteil montiert. Während die Leiterplatte auf die Halbbrücke verpresst wird, werden die Signalanschlüsse gleichzeitig über die Schulterabschnitte der Signalanschlüsse auf dem Rahmenteil abgestützt. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Leistungsmodulen bzw. Invertern, bei denen die auf dem Kühlkörper angebrachte Halbbrücke zwecks Montage in die im Rahmenteil ausgebildete Lücke hineingeführt wird, ist erfindungsgemäß nicht erforderlich, dass der Kühlkörper eine kleinere Abmessung bzw. Breite als die Lücke im Rahmenteil hat. Der Kühlkörper unterliegt nicht der Abmessungsbegrenzung und kann größer gebildet sein. Damit einhergehend erhöht sich die Kühlleistung, sodass die Funktionalität der Halbbrücken und des gesamten Inverters verbessert ist.
-
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Leistungsmodul mit mehreren vorstehend beschriebenen Halbbrücken, wobei das Rahmenteil bezogen auf alle Halbbrücken einteilig ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Inverter für einen elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs mit einem solchen Leistungsmodul. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Halbbrücke beschriebenen Vorteile auch für das erfindungsgemäße Leistungsmodul und den erfindungsgemäßen Inverter.
-
Gemäß einer Ausführungsform liegt das Rhamenteil im montierten Zustand auf dem Kühlkörper auf, mit dem das Substrat thermisch gekoppelt ist. Mit dieser Maßnahme ist ein verbesserter Toleranzausgleich beim Einfädeln der Signalanschlüsse in die im Rahmenteil ausgebildeten Öffnungen erzielbar, da an der Abstützungsstelle keine punktuelle, sondern flächige Verbindung zwischen dem Kühlkörper (bzw. der Kühlplatte) und dem Rahmenteil vorliegen kann. Der Kühlkörper umfasst vorzugsweise eine Kühlplatte, mit deren der Vergussmasse zugewandten Oberseite das mehrschichtige Substrat verbunden ist. Der Kühlkörper umfasst vorzugsweise ferner eine Kühlstruktur, etwa eine Pin-Fin-Struktur mit einer Vielzahl von Pins, die mehrere Kühlkanäle zum Durchströmen mit einem Kühlmedium, etwa Kühlwasser, definieren.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Rahmenteil auf einer dem Kühlkörper zugewandten Seite eine Stufenform und/oder eine Aussparung auf. Diese Maßnahme dient der Verlängerung der Luft- und/oder Kriechstrecke und damit einhergehend einer verbesserten elektrischen Isolierung zwischen der Halbbrücke und dem Kühlkörper.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Erstreckung des Kühlkörpers entlang einer Längsrichtung der Vergussmasse größer als eine Erstreckung der Vergussmasse entlang der Längsrichtung und/oder ein Abstand zwischen zwei Reihen der Signalanschlüsse, die bezogen auf die Längsrichtung der Vergussmasse einander gegenüberliegend angeordnet sind. Diese Maßnahme ermöglicht eine besonders leichte Befestigung des Rahmenteils auf dem Kühlkörper und zusätzlich eine bessere Kühlleistung.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Rahmenteil mehrere horizontal voneinander beabstandeten Wölbungen auf, die in einem montierten Zustand des Inverters jeweils eine Schraube abdecken, mittels derer der Kühlkörper an einem Invertergehäuse befestigt ist. Diese Maßnahme verlängert zusätzlich die Luft- und Kriechstrecken im Inverter und ermöglicht eine verbesserte elektrische Isolierung der Halbbrücken vom Invertergehäuse.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Länge der Wölbungen größer als ein Radius der Schraube, wobei die Breite der Wölbungen zumindest dem Radius der Schraube gleich ist. Die Wölbungen haben vorzugsweise die Form einer Ellipse oder zweier Halbkreise, deren geraden Ränder auf zwei gegenüberliegende Seiten eines Rechtecks fallen. Dies begünstigt die horizontale Relativbewegung zwischen dem Rahmenteil und der Halbbrücke, da die Schraubenköpfe der Schrauben während der horizontalen Relativbewegung ungehindert in den durch die jeweiligen Wölbungen definierten Zwischenräumen relativ zum Rahmenteil bewegbar sind.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Rahmenteil mehrere Aufnahmen zum Anordnen von Temperatursensoren und/oder Stromsensoren auf. Diese Maßnahme ermöglicht eine leichte Integration von zusätzlichen Funktionen wie die Überwachung von Temperaturen (insbesondere der Halbleiterschaltelemente) und Strömen im Inverter. Beispielsweise können die Aufnahmen als Taschen in einem Randbereich des Rahmenteils und/oder auf zumindest einem Balken des Rahmenteils, der sich in einem Zwischenbereich zwischen zwei benachbarten Halbbrücken in deren Längsrichtung erstreckt, ausgebildet sein.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt die Vergussmasse in einem montierten Zustand des Rahmenteils horizontal innerhalb einer im Rahmenteil ausgebildeten Öffnung, wobei zusätzliche Signalanschlüsse mittels Einstecken in eine am Innenrand der Öffnung ausgebildeten Aussparung oder mittels Umspritzen mit dem Rahmenteil am Innenrand Öffnung befestigt sind. Die zusätzlichen Signalanschlüsse können mit einer Stromschiene verbunden sein und den HV-DC-Strom abgreifen und diesen zum Beispiel zur Kurzschlusserkennung genutzt werden. Diese Maßnahme ermöglicht ein besonders einfaches Anbringen der zusätzlichen Signalanschlüsse am Rahmenteil.
-
Das Rahmenteil ist vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial wie Thermoplast hergestellt. Dies gewährleistet eine elektrische Isolierung des Rahmenteils. Das Rahmenteil kann ferner mehrere Befestigungspunkte wie Schraub- und/oder Heißverstemmpunkte/-dome zur Verbindung mit der Leiterplatte aufweisen.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 eine schematische Draufsicht eines Leistungsmoduls umfassend mehrere erfindungsgemäße Halbbrücken gemäß einer Ausführungsform;
- 2 eine schematische seitliche Schnittansicht des Leistungsmoduls aus 1;
- 3 eine schematische Darstellung des Montageverfahrens des Leistungsmoduls aus 1;
- 4 eine schematische Perspektivansicht des Leistungsmoduls aus 1;
- 5 eine schematische Perspektivansicht eines Rahmenteils des Leistungsmoduls;
- 6-8 schematische Darstellungen mehrerer an der Verbindungsstelle zwischen dem Rahmenteil und dem Kühlkörper ausgebildeter Stufenformen und Aussparrungen.
-
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 schematisch ein Leistungsmodul 50. Das Leistungsmodul 50 umfasst mehrere Halbbrücken 10A, 10B, 10C. Jede Halbbrücke 10A, 10B, 10C weist mehrere Halbleiterschaltelemente (nicht gezeigt) auf, die auf einem Substrat (nicht gezeigt) angeordnet sind. Das Substrat ist vorzugsweise ein mehrschichtiges Substrat umfassend eine erste Metalllage, eine zweite Metalllage und eine zwischen ihnen angeordnete Isolierlage. Die Halbleiterschaltelemente sind vorzugsweise auf der ersten Metalllage angebracht, die, wie in 2 näher gezeigt, auf der von einem Kühlkörper 24 abgewandten Seite der Isolierlage des Substrats angeordnet ist. Die zweite Metalllage ist unmittelbar an einer Kühlplatte 241 des Kühlkörpers 24 angebunden. Der Kühlkörper 24 umfasst ferner eine Kühlstruktur 243, die vorzugsweise eine Pin-Fin-Struktur mit einer Vielzahl von Pins umfasst. Zwischen den Finnen bilden sich mehrere Kühlkanäle zum Durchströmen mit einem Kühlmedium, etwa Kühlwasser. Auf diese Weise ist eine thermische Kopplung zwischen dem Kühlmedium und den Halbleiterschaltelementen etabliert.
-
Jede Halbbrücke 10A, 10B, 10C umfasst eine Vergussmasse 20, mit der das jeweilige Substrat und die dazugehörigen Halbleiterschaltelemente mittels eines Spritzgussverfahrens vergossen sind. Diese Maßnahme dient zum Schutz der Halbleiterschaltelemente vor Umwelteinflüssen und erleichtert die Herstellung des Leistungsmoduls 50. Die Vergussmasse 20 nimmt, wie hier beispielhaft gezeigt, eine rechteckige Form an, und umfasst eine zum mehrschichtigen Substrat parallele erste Fläche 202.
-
Jede Halbbrücke 10A, 10B, 10C weist ferner mehrere Leistungsanschlüsse 12, 14, 16 und Signalanschlüsse 18 auf. Die Leistungsanschlüsse 12, 14, 16 umfassen negative DC-Leistungsanschlüsse 12, positive DC-Leistungsanschlüsse 14 und AC-Leistungsanschlüsse 16. Die positiven und negativen DC-Leistungsanschlüsse 12, 14 dienen zum Einspeisen von DC-Strömen, die etwas mittels einer Batterie erzeugt werden. Die AC-Leistungsanschlüsse 16 dienen zum Abgreifen von AC-Phasenströmen, die mittels gezielter Schaltvorgänge der Halbleiterschaltelemente basierend auf den eingangsseitigen DC-Strömen erzeugt und an Verbraucher, insbesondere E-Maschinen, weitergegeben werden. Die Leistungsanschlüsse 12, 14, 16 und Signalanschlüsse 18 schauen aus der Vergussmasse 20 seitlich heraus. Dies bedeutet, dass sich die Leistungsanschlüsse 12, 14, 16 und Signalanschlüsse 18 von Innen der Vergussmasse 20 über eine zur ersten Fläche 202 senkrechte zweite Fläche 204 nach Außen erstrecken. Außerhalb der Vergussmasse 20 sind die Leistungsanschlüsse 12, 14, 16 und Signalanschlüsse 18 im Wesentlich senkrecht nach oben, d.h. senkrecht zur ersten Fläche 202, gebogen und ermöglichen eine Kontaktierung oberhalb der Vergussmasse 20.
-
Die mehreren Halbbrücken 10A, 10B, 10C im in Fig..1 gezeigten Leistungsmodul 50 sind in drei Gruppen aufgeteilt, die jeweils hier beispielhaft zwei parallelgeschaltete Halbbrücken umfassen. Jede Gruppe ist einem Phasenstrom des mehrphasigen Ausgangsstroms (Wechselstroms) zugeordnet. Die Halbleiterschaltelemente in jeder Halbbrücke 10A, 10B, 10C sind wiederum parallelgeschaltet. Auf diese Weise lässt sich der durch das Leistungsmodul 50 tragbare Laststrom einfach nach oben skalieren, was bei Hochvoltanwendungen besonders vorteilhaft ist.
-
Eine Leiterplatte 25, auf der mehrere elektronischen Bauteile zum Ansteuern der Halbleiterschaltelemente angeordnet sind, ist über den Signalanschlüssen 18 (siehe 4) an den Halbbrücken 10A, 10B, 10C angebracht. Zum Anbringen werden Spitzabschnitte 186 der Signalanschlüsse 18 jeweils durch eine in der Leiterplatte 25 ausgebildete Öffnung hindurchgeführt. Die Signalanschlüsse 18 weisen jeweils einen Schulterabschnitt 184 auf, der sich von einem Schaft 182 der jeweiligen Signalanschlüsse 18 ausgehend senkrecht zum Schaft 182 erstreckt. Die Unterseite der Leiterplatte 25 hat im Normalfall keinen Kontakt mit dem Schulterabschnitt 184. Die Pressfitzone der Signalanschlüsse 18 für die Leiterplatte 25 befindet sich mit Abstand zum Schulterabschnitt 184.
-
Die Position der Leiterplatte 25 wird nicht durch die Auflage auf den Schulterabschnitten 184 der Signalanschlüsse 18 und das Rahmenteil 22 begrenzt, sondern durch Schraubverbindungen, die z. B. sich im Invertergehäuse oder anderen Bauteilen befinden. Dazu umfasst das Leistungsmodul 50 ferner ein Rahmenteil 22, welches sich über die gesamte Länge der mehreren Halbbrücken 10A, 10B, 10C erstreckt. Wie in 1 gezeigt, weist das Rahmenteil 22 mehrere Öffnungen 222 (siehe 3 für eine detaillierte Darstellung) zum Hindurchführen der Signalanschlüsse 18 auf. Die Signalanschlüsse 18 sind auf zwei Reihen an beiden Längsenden der rechteckigen Vergussmasse 20 verteilt. Entsprechend sind die Öffnungen 222 in zwei einander gegenüberliegenden Reihen angeordnet. Das Rahmenteil 22 ist bezogen auf die verschiedenen Gruppen von Halbbrücken 10A, 10B, 10C, somit auch auf die Phasenströme, einteilig ausgebildet.
-
Wie in der seitlichen Schnittansicht in 2 (entlang der Schnittlinie A-A und mit Blickrichtung von oben in 1) gezeigt, weist das Rahmenteil 22 mehrere Vorsprünge 224 auf, in denen die Öffnungen 222 ausgebildet sind. Im montierten Zustand des Rahmenteils 22 liegen die Schulterabschnitte 184 der Signalanschlüsse 18 auf einer oberen Seite 226 der Vorsprünge 224 auf. Unterseitig stützt sich das Rahmenteil 22 mit einer Plattenteil 221 gegen die Kühlplatte 241 ab. Die Kühlplatte 241 ist seitlich durch Seitenende 223, 225 des Rahmenteils 22 eingeschlossen.
-
3 zeigt schematisch das Montageverfahren zum Aufsetzen des Rahmenteils 22 auf die Halbbrücken 10A, 10B, 10C. Zunächst wird, wie in 3(I) gezeigt, das Rahmenteil 22 von oben auf die Halbbrücken 10A, 10B, 10C aufgebracht. Wie in 3(II) näher gezeigt, umfassen die Öffnungen 222 jeweils einen ersten Querschnittsbereich 2222 und einen zweiten Querschnittsbereich 2224. Der erste Querschnittsbereich 222 hat eine Breite, die zumindest der Breite der jeweiligen Schulterabschnitte 184 der Signalanschlüsse 18 gleich ist. Der zweite Querschnittsbereich s224 hat eine Breite, die kleiner als die Breite der jeweiligen Schulterabschnitte 184 der Signalanschlüsse 18 ist. Die Öffnungen 222 weisen jeweils somit im Querschnitt eine Verjüngung auf.
-
Die Halbbrücken 10A, 10B, 10C und das Rahmenteil 22 werden derart zueinander positioniert, dass sich die Signalanschlüsse 18 direkt unterhalb der jeweiligen ersten Querschnittsbereiche 2222 der Öffnungen 222 des Rahmenteils 22 befinden. In dieser vertikal ausgerichteten Relativposition wird das Rahmenteil 22 entlang der mit einem Pfeil P1 angedeuteten Richtung vertikal nach unten bewegt. Hierbei treten die Signalanschlüsse 18 mit ihren Spitzabschnitten 186 durch die ersten Querschnittsbereiche 2222 der zugehörigen Öffnungen 222 hindurch. Am Ende der vertikalen Bewegung des Rahmenteils 22 trifft das Plattenteil 221 des Rahmenteils 22 auf die Kühlplatte 241 auf. Das Resultat der vertikalen Bewegung ist in 3(II) veranschaulicht.
-
Anschließend wird das Rahmenteil 22 entlang einer horizontalen Richtung, die in 3(II) mit einem weiteren Pfeil P2 angedeutet ist, relativ zu den Halbbrücken 10A, 10B, 10C bewegt. Hierbei werden die Signalanschlüsse 18 relativ zum Rahmenteil 22 betrachtet entlang der Verjüngungsrichtung der Öffnungen 222 zu den jeweiligen zweiten Querschnittsbereichen 2224 hin verschoben. Am Ende der horizontalen Bewegung treffen die Schäfte 182 der Signalanschlüsse 18 auf eine Endseite der zweiten Querschnittsbereiche 2224 auf. Die Schulterabschnitte 184 der Signalanschlüsse 18 liegen auf einer Teilfläche 226 des Rahmenteils 22 auf, welche den jeweiligen zweiten Querschnittsbereich 2224 definiert. Das Resultat der horizontalen Bewegung ist in 3(II) näher veranschaulicht. Auf dieser Weise stützen sich die Schulterabschnitte 184 der Signalanschlüsse 18 gegen das Rahmenteil 22 ab bzw. dessen Teilfläche 226 ab, wenn zusätzlich die Leiterplatte 25 am Leistungsmodul 50 angebracht wird (siehe 4).
-
5 zeigt das Rahmenteil 22 in einer Einzeldarstellung in Perspektivansicht. Im Rahmenteil 222 sind drei offene Zwischenräume ausgebildet, in denen die jeweiligen Gruppen der Halbbrücken 10A, 10B, 10C angeordnet sind. Benachbarte Zwischenräume sind durch einen Balken 227 voneinander getrennt. Mehrere Wölbungen 230 sind in den Randbereichen des Rahmenteils 22 angeordnet. Die Wölbungen 230 dienen dazu, in einem montierten Zustand des Leistungsmoduls 50 bzw. des Inverters jeweils eine Schraube abzudecken, mittels derer der Kühlkörper 24 an einem Invertergehäuse befestigt wird. Die Länge der Wölbungen 230 ist vorzugsweise größer als ein Radius der Schraube, wobei die Breite der Wölbungen 230 zumindest dem Radius der Schraube gleich ist. Die Wölbungen 230 haben vorzugsweise die Form einer Ellipse oder zweier Halbkreise, deren geraden Ränder auf zwei gegenüberliegende Seiten eines Rechtecks fallen. Das Rahmenteil 22 weist ferner mehrere Aufnahmen 244, 246 zum Anordnen von Temperatursensoren und/oder Stromsensoren auf. Wie in 5 beispielhaft gezeigt, sind die ersten Aufnahmen 246 für Stromsensoren trapezförmig ausgebildet, während die Aufnahmen 244 für Temperatursensoren ellipsenförmig sind.
-
Zusätzliche Signalanschlüsse 19 sind an einem Brückenteil 236 des Rahmenteils 22 angeordnet, wobei das Brückenteil 236 sich über die Länge des Rahmenteils 22 erstreckt. Gemäß einer Ausführungsform werden diese jeweils mittels Einsteckens in eine am Rahmenteil 22 ausgebildeten Aussparung 238 (siehe 1) befestigt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die zusätzlichen Signalanschlüsse 19 am Rahmenteil 22 angeordnet, indem die Signalanschlüsse 19 in einem Spritzgussverfahren mit Gussmaterial, aus welchem das Rahmenteil 22 gebildet wird, umspritzt werden.
-
6 bis 8 zeigen jeweils eine Verbindungsstelle zwischen dem Rahmenteil 22 und dem Kühlkörper 24, insbesondere der Kühlplatte 241. Eine Mehrzahl von Stufen 225 und/oder Aussparungen 228 sind im Rahmenteil 22 an der jeweiligen Verbindungsstelle zum Kühlkörper 24 ausgebildet. Auf diese Weise wird die Kriechstrecke (hier mit Hilfe von Linien veranschaulicht) im Leistungsmodul 50 verlängert, was für eine elektrische Isolierung der Halbbrücken 10A, 10B, 10C vom Kühlkörper 24 vorteilhaft ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10A, B, C
- Halbbrücke
- 12, 14
- DC-Leistungsanschlüsse
- 16
- AC-Leistungsanschlüsse
- 18
- Signalanschlüsse
- 182
- Schaft
- 184
- Schulterabschnitt
- 186
- Spitzabschnitt
- 20
- Vergussmasse
- 202
- erste Fläche
- 204
- zweite Fläche
- 22
- Rahmenteil
- 222
- Öffnung
- 2222
- erster Querschnittsbereich
- 2224
- zweiter Querschnittsbereich
- 224
- Vorsprung
- 226
- Teilfläche
- 227
- Balken
- 228
- Aussparung
- 230
- Wölbung
- 236
- Brückenteil
- 238
- Aussparung
- 24
- Kühlkörper
- 241
- Kühlplatte
- 243
- Kühlstruktur
- 244, 246
- Aufnahmen
- 25
- Leiterplatte
- 50
- Leistungsmodul
-
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 102015012915 A1 [0006]
- DE 102019220010 [0007]
- DE 102020205420 [0008]
