-
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Elektronikmodule für einen Elektroantrieb.
-
Die Verwendung von Elektronikmodulen, etwa Leistungselektronikmodulen, bei Kraftfahrzeugen hat in den vergangenen Jahrzehnten stark zugenommen. Dies ist einerseits auf die Notwendigkeit, die Kraftstoffeinsparung und die Fahrzeugleistung zu verbessern, und andererseits auf die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zurückzuführen. Hauptbestandteil eines solchen Elektronikmoduls ist ein DC/AC-Wechselrichter (Inverter), der dazu dient, elektrische Maschinen wie Elektromotoren oder Generatoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom (AC) zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Zu diesem Zweck umfassen die Inverter eine Vielzahl von Elektronikbauteilen, mit denen Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) realisiert werden, beispielsweise Halbleiterleistungsschalter, die auch als Leistungshalbleiter bezeichnet werden.
-
Leistungselektronische Anordnungen bzw. Leistungselektronikmodule profitieren sowohl von einer guten Kühlanbindung als auch von einem niederinduktiven Kommutierungskreis. Für hohe Leistungen ist die Kühlanbindung parallelgeschaltet und meist auf einer Platte angeordnet. Dies ist nachteilig im Bezug zur Kommutierungszelle, da die DC-Stromanschlüsse der High-Side bzw. Low-Side Schalter HS bzw. LS unnötig lang sind.
-
Ferner benötigen bisher bekannte Kühlmöglichkeiten zur beidseitigen Kühlung z.B. in Form von Press-Pack-Bauteilen einen speziellen Aufbau, was die Bauteilauswahl verkleinert. Zudem ist ein Spannverband nötig, welcher konstruktiv aufwändig ist.
-
In einer von der Anmelderin vorgeschlagenen Anordnung ist ein diskreter Inverteraufbau vorgesehen, der unter anderem den Flächenbedarf verbessert. Bei diesem ist eine Sandwichanordnung vorgesehen, in welcher der Kühlkörper ober- und unterhalb der Leistungshalbleiter angeordnet ist. Der Inverter ist also in Form einer Matrix aufgebaut, in der die Phasen in Richtung einer ersten Achse angeordnet sind, und in der eine Erhöhung der Leistung, also eine Erhöhung der Anzahl der beidseitig kontaktierten Halbleiterschalter HS bzw. LS in eine dazu um 90 Grad gedrehte Richtung erfolgt. Auch hier wird noch eine relativ große Fläche benötigt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Kühlanordnung für Leistungshalbleiter eines Inverters bereitzustellen, die konstruktiv möglichst einfach ist und keinen hohen Platzbedarf aufweist.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Die Begriffe Leistungshalbleiter und Halbleiterschalter werden nachfolgend synonym verwendet.
-
Vorgeschlagen wird eine Kühlanordnung für Leistungshalbleiter eines Inverters. Diese umfasst mindestens eine AC-Stromphase und einen eingangsseitigen DC-Stromanschluss je AC-Stromphase. Der eingangsseitige Stromanschluss dient zum Einkoppeln eines mittels einer Energiequelle, z.B. einer Batterie, erzeugten DC-Eingangsstroms. Die Stromphase(n) sind zum Auskoppeln eines von einer halbleiterbasierten Brückenschaltung basierend auf dem DC-Eingangsstrom erzeugten AC-Ausgangsstroms eingerichtet.
-
Je AC-Stromphase ist außerdem ein Submodul vorgesehen, das mindestens eine Halbbrücke aufweist, die aus einem ersten Modul mit einem ersten Halbleiterschalter, also Leistungshalbleiter, und einem zweiten Modul mit einem zweiten Halbleiterschalter, also Leistungshalbleiter, gebildet ist.
-
AC-Stromphase und eingangsseitiger DC-Stromanschluss je Submodul sind in einer Ebene und parallel zueinander angeordnet. Vorteilhaft ist hier, dass durch die parallele Anordnung der DC-Schienen eine niedrige Kommutierungsinduktivität sowie eine seitliche Gateansteuerung abseits des Lastkreises erreicht wird.
-
Der erste und der zweite Halbleiterschalter weisen jeweils auf ihrer ersten Seite mindestens einen ersten elektrischen Anschluss und einen zweiten elektrischen Anschluss auf, und sind derart angeordnet, dass diese Seiten einander zugewandt sind und ihre AC-Stromphase bzw. ihren DC-Stromanschluss kontaktieren. Somit wird klar, dass AC-Stromphase bzw. DC-Stromanschluss (positiv DC+ oder negativ DC-) so angeordnet sind, dass die Anschlüsse der Halbleiterschalter einander gegenüberliegen und leicht mit den zugehörigen AC- bzw. DC-Kontaktanschlüssen verbindbar sind.
-
Jeweils auf einer der Seite mit den elektrischen Anschlüssen gegenüberliegenden Seite des ersten und des zweiten Halbleiterschalters ist eine Kühlplatte vorgesehen. Ebenfalls ist ein an jeder Kühlplatte angeordneter Kühlkörper vorgesehen. Ferner sind Submodule mehrerer AC-Stromphasen derart übereinander, also in z-Richtung, angeordnet, dass sich die Kühlplatten von Halbleiterschaltern jeweils eines der Module gegenüberliegen und den Kühlkörper teilen. Somit entsteht eine Sandwichstruktur, in der sich Module zweier Submodule einen Kühlkörper teilen, da dieser zwischen den Kühlplatten auf deren Oberseite angeordnet ist. Durch diese Anordnung erfolgt der Kühlmittelfluss abseits von Gate und Leistungsanschlüssen. Außerdem können gleichartige Halbleiterschalter pro Halbbrücke verwendet werden, d.h. sie weisen denselben Aufbau auf, so dass eine Optimierung der Halbbrücke durch Anpassen lediglich einer Art von Halbleiterschalter erfolgen kann. Durch den modularen Aufbau ist eine hohe Flexibilität des Inverteraufbaus gegeben.
-
Durch die sandwichartige Kühlanordnung kann eine Kühlung der Halbleiterschalter jedes Moduls separat erfolgen. Durch die parallele Kühlung der einzelnen Phasen wird außerdem der thermische Nachteil einer seriellen Kühlung mehrerer Phasen behoben. Da die Halbleiterschalter einander mit ihrer Seite, welche die elektrischen Anschlüsse aufweist, gegenüberliegen, kann je nach Ausführung der Halbleiterschalter und der Position Anschlüsse ein mehr oder weniger großer Hohlraum entstehen. Dieser kann in einer Ausführung ebenfalls zur Kühlung verwendet werden, indem auch hier ein Kühlkörper vorgesehen wird. Somit können die Halbleiterschalter beidseitig gekühlt werden.
-
Da die DC-Stromversorgung über den DC-Stromanschluss mittels parallel zueinander angeordneten DC-/DC+-Schienen, also einer negativ gepolten DC- und einer positiv gepolten DC+ Schiene, erfolgt, kann ein Zwischenkreis niederinduktiv bis zu den Halbleiterschaltern geführt werden. Das heißt, es kann eine kurze Kommutierungszelle erreicht werden. Um einen möglichst kleinen Abstand zwischen den einer DC- und einer DC+ Schiene zu realisieren, kann eine Isolierung in Form eines elektrisch nicht leitenden Bauteils zwischen diesen beiden Schienen, also zwischen DC- und DC+ Schiene, vorgesehen sein.
-
In einer Ausführung sind die Halbleiterschalter als MOSFET ausgeführt und der erste elektrische Anschluss ist ein Source-Anschluss und der zweite elektrische Anschluss ist ein Drain-Anschluss. In einer alternativen Ausführung, in welcher die Halbleiterschalter als IGBT ausgeführt sind, ist der erste elektrische Anschluss ein Emitter-Anschluss und der zweite elektrische Anschluss ein Kollektor-Anschluss.
-
In einer Ausführung sind zwei oder drei oder ein Vielfaches von zwei oder drei AC-Stromphasen mit je mindestens einem Submodul vorgesehen. Das Submodul kann erste und zweite Module aufweisen. Somit kann die Anzahl der Phasen in eine Richtung in einfacher Weise mit guter Kühlanbindung erhöht werden.
-
In einer Ausführung sind mehrere Submodule je AC-Stromphase vorgesehen, die nebeneinander angeordnet sind. Somit kann eine Leistungssteigerung erreicht werden. Durch das nebeneinander Anordnen der Submodule erfolgt eine Ausdehnung in einer anderen Ebene als bei einer Erhöhung der Anzahl der AC-Stromphasen, so dass hierdurch eine flexiblere Anpassung des Inverters an einen gegebenen Bauraum erfolgen kann. Außerdem kann so ein Kühlkörper für mehrere Halbbrücken eines oder benachbarter Submodule verwendet werden.
-
Ferner wird die Verwendung einer Kühlanordnung für Leistungshalbleiter in einem Inverter eines Elektronikmoduls zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs vorgeschlagen.
-
Ferner wird ein Elektronikmodul zur Ansteuerung eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs vorgeschlagen, aufweisend einen Inverter mit Leistungshalbleitern und der vorgeschlagenen Kühlanordnung.
-
Ferner wird ein Elektroantrieb eines Fahrzeugs mit dem zur Ansteuerung des Elektroantriebs gebildeten Elektronikmodul vorgeschlagen.
-
Ferner wird ein Fahrzeug, aufweisend einen Elektroantrieb mit einem Elektronikmodul, vorgeschlagen.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
-
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
-
1 zeigt eine Seitenansicht einer Kühlanordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
-
Wie bereits eingangs erwähnt, ist bei einer leistungselektronischen Anwendung nicht nur eine kurze Kommutierungszelle wichtig, sondern auch eine gute Kühlung der Halbleiterschalter. Die vorgeschlagene Kühlanordnung für Leistungshalbleiter, also Halbleiterschalter, kann beide Voraussetzungen erfüllen.
-
Wie aus der Seitenansicht in 1 zu sehen, ist ein sandwichartiger Aufbau eines Inverters vorgesehen. Hierbei werden die AC-Phasen AC1-AC3 in z-Richtung übereinander angeordnet. Gezeigt sind hier beispielshaft drei AC-Phasen AC1-AC3, wobei auch mehr oder weniger davon vorgesehen sein können.
-
Zu jeder AC-Phase AC1-AC3 ist ein Submodul 1-3 vorgesehen, von denen jedes mindestens eine Halbbrücke aufweist. Zur AC1-Phase zugehörig ist dabei ein erstes Modul 10 mit einem ersten Halbleiterschalter und ein zweites Modul 11 mit einem zweiten Halbleiterschalter. Zu AC2-Phase zugehörig ist ein erstes Modul 20 mit einem ersten Halbleiterschalter und ein zweites Modul 21 mit einem zweiten Halbleiterschalter. Da der Aufbau der einzelnen Submodule 1-3 derselbe ist, wurde der Übersichtlichkeit halber auf eine Beschriftung des Submoduls 3 sowie des zweiten Moduls 21 in Submodul 2 verzichtet.
-
Jeder Halbleiterschalter weist auf einer Seite je nach Art des verwendeten Halbleiterschalters einen ersten elektrischen Anschluss 101, 111 für das Modul 10 bzw. 11 und 201 für das Modul 20 auf, der entweder als Source oder Emitter gebildet ist, und einen zweiten Anschluss 102, 112 für das Modul 10 bzw. 11 und 202 für das Modul 20, der entweder als Drain oder als Kollektor gebildet ist. Da die Module 10, 20 und 11, 21 gleichartig gebildet sind, wurde in den Figuren der Übersichtlichkeit halber auf weitere Bezugszeichen verzichtet.
-
Auf der linken Seite in 1 werden der High-Side Source-Anschluss 101 (201 bei Submodul 2) und der Low-Side Drain-Anschluss 112 zum AC-Ausgang bzw. den AC-Stromphasen AC1-AC3 zusammengefasst. Auf der rechten Seite in 1 wird der High-Side Drain-Anschluss 102 (202 bei Submodul 2) zum DC+ Anschluss und der Low-Side Source-Anschluss 111 zum DC- Anschluss geführt. Für eine geringe Kommutierungsinduktivität werden die beiden Anschlüsse (DC- und DC+) möglichst nah aneinander geführt und mittels einer Isolation 400, also einem elektrisch nicht leitenden Bauteil, elektrisch voneinander getrennt.
-
Die zur Ansteuerung aus der y-Ebene herausragenden Steuer- und Hilfsanschlüsse für Source S, Gate G und Drain D sind in 1 als Quadrate dargestellt und können z.B. mittels einem PCB-Board, also einer Treiberplatine bzw. einer Leiterplatte, kontaktiert werden.
-
Die zu einem Submodul 1-3 zugehörigen Halbleiterschalter, die ein Halbbrücke bilden, sind derart angeordnet, dass sich ihre Seiten mit den elektrischen Anschlüssen 101, 112; 102, 111 gegenüberliegen. Außerdem sind die AC-Stromphasen AC1-AC3 und der DC-Stromanschluss DC-/DC+ derart angeordnet, dass diese von den elektrischen Anschlüssen 101, 112; 102, 111 der Halbleiterschalter beider Module 10, 11 (20, 21 im Falle, dass Submodul 2 betrachtet wird), kontaktiert werden können.
-
Auf der Seite der Halbleiterschalter, welche der Seite mit den elektrischen Anschlüssen gegenüberliegt, ist jeweils eine Kühlplatte 103, 113, 213 angeordnet, die als Kontaktfläche zu einem Kühlkörper 200 dient. Ferner ist ein mit der Kühlplatte 103, 113, 213 verbundener Kühlkörper 200 vorgesehen, durch den z.B. eine Kühlflüssigkeit fließt. Da die Submodule 1-3 in z-Richtung übereinander angeordnet sind, und sich dadurch jeweils zwei Oberseiten von Halbleiterschaltern mit ihren Kühlplatten 103, 113, 213 gegenüberliegen, können sich zwei Module 11, 20 unterschiedlicher Submodule 1, 2 (bzw. 2, 3) einen Kühlkörper 200 teilen. Lediglich die Oberseiten der Halbleiterschalter der äußersten Module 10 haben einen Kühlkörper 200 an ihrer Oberseite für sich alleine.
-
Der in der Mitte zwischen den Seiten der Halbleiterschalter mit den elektrischen Anschlüssen entstehende Hohlraum 300 kann ebenfalls konduktiv, z.B. durch Einsetzen eines zusätzlichen Kühlkörpers, angebunden werden, um die Kühlbedingungen zu verbessern. Es kann also ein Kühlkörper 200 sowohl beiden Seiten jedes Halbleiterschalters platziert werden.
-
Durch einen Kühlkörper 200, der in einer Richtung bzw. Ebene (x-y) fest vorgesehen ist, wird der Freiheitsgrad des Formfaktors eingeschränkt. Die hier vorgeschlagene Anordnung der Leistungshalbleiter dient in einer Ausführung dem Aufbau eines mehrphasigen Umrichters, auch als Inverter oder Wechselrichter bezeichnet. Vorteilhaft ist, dass jeweils Module 10, 11; 20, 21 mit gleichartigen Halbleiterschaltern verwendet werden können, die zu einer Halbbrücke übereinander angeordnet sind. Ein oder mehrere Module 10, 11; 20, 21 bilden ein Submodul 1-3. Die Kühlung der Submodule 1-3 kann auf beiden Seiten der Halbleiterschalter erfolgen. Somit werden jeweils zwei Module unterschiedlicher Submodule 1-3 von einem Kühlkörper 200 gekühlt (bis auf die zwei äußersten). Die Submodule 1-3 können übereinandergestapelt werden und sind damit diskret an die Leistungsklasse anpassbar.
-
Die Leistungsschalter bzw. Halbleiterschalter sind mittels auf der Bestückungsseite der Leiterplatte vorhandener elektrischer Kontakte mit einem Steuergerät wie einem Electronic Control Unit (ECU) des Fahrzeugs elektrisch und/oder signaltechnisch verbindbar. Das Steuergerät ist daher in der Lage, die Halbleiterschalter zwecks Betreiben des Elektroantriebs, insbesondere zwecks Bestromen der E-Maschine, eines mit einem entsprechenden Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs anzusteuern. Die Leiterplatte kann eine Platine (z.B. PCB) oder eine flexible Leiterplatte aufweisen.
-
Je nach Leistungsbedarf können in dieser Anordnung mehr oder weniger Module ohne eine nachteilige Auswirkung auf ihre elektrische Anbindung parallelgeschaltet werden.
-
Außerdem werden ein Elektronikmodul mit einem Inverter mit einer vorgeschlagenen Schaltungsanordnung, das zur Ansteuerung eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs dient, ein Elektroantrieb und ein Fahrzeug bereitgestellt.
-
Ein Elektronikmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs. Das Elektronikmodul umfasst einen DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter) mit dem beschriebenen Inverteraufbau oder einen Teil hiervon. Das Elektronikmodul kann außerdem einen AC/DC-Gleichrichter (Engl.: Rectifier), einen DC/DC-Wandler (Engl.: DC/DC Converter), Transformator (Engl.: Transformer) und/oder einen anderen elektrischen Wandler oder ein Teil eines solchen Wandlers umfassen oder ein Teil hiervon sein. Insbesondere dient das Elektronikmodul zum Bestromen eines Elektroantriebs bzw. einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter dient vorzugsweise dazu, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu erzeugen.
-
Inverter für Elektroantriebe von Fahrzeugen, insbesondere PKW und NKW, sowie Bussen, sind für den Hochvoltbereich ausgelegt und sind in einer Sperrspannungklasse von 650 V bis 1200V bzw. einer Spannungsklasse der Batteriespannung von ca. 400V bis 800 V, ggf. sogar bereits ab 200 V, anzusiedeln.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1-3
- Submodul
- 10
- erstes Modul von Submodul 1 (High-Side- oder Low-Side-Schalter)
- 101
- Source-Anschluss
- 102
- Drain-Anschluss
- 103
- Kühlplatte
- 11
- zweites Modul von Submodul 1 (High-Side- oder Low-Side-Schalter)
- 111
- Source-Anschluss
- 112
- Drain-Anschluss
- 113
- Kühlplatte
- 20
- erstes Modul von Submodul 2 (High-Side- oder Low-Side-Schalter)
- 201
- Source-Anschluss
- 202
- Drain-Anschluss
- 213
- Kühlplatte
- 21
- zweites Modul von Submodul 2 (High-Side- oder Low-Side-Schalter)
- 200, 201
- Kühlkörper
- 300
- Hohlraum zwischen Modulen
- 400
- Isolierung
- S
- Source-Hilfsanschluss
- D
- Drain-Hilfsanschluss
- G
- Gate-Hilfsanschluss
- AC1-AC3
- AC-Stromphasen Submodul 1-3
- DC-/DC+
- eingangsseitiger DC-Stromanschluss Submodul 1-3
