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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Elektronikmodule für einen Elektroantrieb.
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Die Verwendung von Elektronikmodulen, z.B. 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. Ein prominentes Beispiel für solche Elektronikmodule stellen DC/AC-Wechselrichter (Inverter) dar, die dazu dienen, elektrische Maschinen wie Elektromotoren oder Generatoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Zu diesem Zweck umfassen die Elektronikmodule eine Vielzahl von Elektronikbauteilen, mit denen Brückenschaltungen (z.B. Halbbrücken) realisiert werden, beispielsweise Halbleiterleistungsschalter, die auch als Leistungshalbleiter bezeichnet werden.
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Die Verknüpfung von mikroelektronischen und nichtelektronischen Mikrokomponenten zum vollständigen System erfordert bei den Elektronikmodulen, insbesondere Wechselrichtern, in der Regel den Einsatz der sogenannten Aufbau- und Verbindungstechnik. Es handelt sich hierbei um ein aufwändiges Verfahren, welches hohe Kosten für die Herstellung von Wechselrichtern verursacht. Um den Herstellungsaufwand zu reduzieren und zugleich eine hinreichend hohe Leistungsdichte zu erreichen, werden bei etablierten Halbleitermaterialien (z. B. Silizium) daher Rahmenmodule eingesetzt.
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Derartige Rahmenmodule sind jedoch beim Einsatz von neuartigen Halbleitern mit breitem Bandabstand (Wide-Bandgap) wie Siliziumcarbid (SiC) oder Gallium-Nitrid (GaN) nicht gleichermaßen verfügbar wie bei den etablierten Halbleitern. Dies führt zu einer verstärkten Abhängigkeit von einer kleinen Anzahl von Lieferanten derartiger Rahmenmodule, sodass unter Umständen mit Lieferknappheit oder erhöhten Preisen gerechnet werden muss. Gerade für Serienproduktion mit großer Stückzahl sind Rahmenmodule aus diesen Gründen nachteilig, zumal große Rahmenmodule den zusätzlichen Nachteil der schlechten Skalierbarkeit des Ausgangsstroms aufweisen.
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Zur Umgehung der oben erwähnten Probleme wurde ein Verfahren entwickelt, das auf dem Fachgebiet als Discrete Powerswitch Packaging bekannt ist. Bei diesem Verfahren wird der Strom ausgehend vom Batterieanschluss des Wechselrichters an einen Zwischenkreis-Kondensator geleitet.
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In bisher bekannten Anordnungen sind Leistungshalbleiter, also Halbleiterleistungsschalter in Form von Highside bzw. Lowside Schalter HS bzw. LS, die zusammen eine Halbbrücke bilden, ausgehend von dem Zwischenkreis-Kondensator hintereinander angeordnet. Das heißt, sie sind nicht nebeneinander angeordnet, sondern liegen sich mit ihren elektrischen Kontaktanschlüssen, an denen der AC-Strom abgenommen wird, gegenüber, so dass z.B. der elektrische Kontaktanschluss des HS näher am Zwischenkreis ist als der des LS.
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Bei dieser Anordnung gibt es mehrere Nachteile. Einer davon ist, dass der bisherige serielle Aufbau der Leistungsschalter ein kompliziertes Konzept zum Einkoppeln des DC-Stroms aus der Energiequelle und zum Auskoppeln des AC-Stroms an die E-Maschine (etwa den Elektromotor) erfordert. Beispielsweise kann ein mehrdimensionales Busbarkonzept nötig sein, woraus eine erhöhte Anforderung an die Busbar-Querschnitte resultiert, um die benötigten Ströme zu tragen. Das heißt auch, dass die AC-Verschienung für die Phasen an den Enden des Inverters sehr lang werden, und dass die DC-Verschienung nicht niederinduktiv geführt werden kann. Außerdem müssen alle Module in Reihe nacheinander gekühlt werden, womit das letzte Modul eine deutlich höhere Kühlwassertemperatur an seinem Eingang aufweist. Somit kann es nicht so stark belastet werden, da die Temperaturdifferenz zwischen den Leistungshalbleitern und dem Kühlwasser geringer ist. Dies kann somit zu einer künstlichen Einschränkung der Gesamtleistung des Inverters führen.
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In einer alternativen, von der Anmelderin vorgeschlagenen Anordnung, sind die beidseitig kontaktierten Leistungshalbleiter HS bzw. LS benachbart zueinander um den Zwischenkreis angeordnet. Ihre eingangsseitigen elektrischen Kontaktanschlüsse weisen zum Zwischenkreis. Somit wird eine kürzere Kommutierungszelle und eine niederinduktive DC-Verschienung erreicht. Nachteilig ist hierbei, dass eine im Wesentlichen quadratische Form entsteht, die nicht in einfacher Weise in einen üblicherweise vorgesehenen länglichen Bauraum integrierbar ist.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, einen Inverteraufbau bereitzustellen, bei dem der Nachteil der Flexibilität des Ausgangsstroms verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Inverteraufbau eines Elektronikmoduls und die Verwendung eines solchen Elektronikmoduls mit dem Inverteraufbau in einem Fahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Vorgeschlagen wird ein Inverteraufbau eines Elektronikmoduls für einen Elektroantrieb eines Fahrzeugs. Der Inverter weist mindestens eine ausgangsseitige Stromphase, sowie eine halbleiterbasierte Brückenschaltung zur Erzeugung eines AC-Ausgangsstroms basierend auf einem DC-Eingangsstrom auf. Die Brückenschaltung weist je Stromphase auf: mindestens ein erstes Halbleitermodul, von dem jedes mindestens eine elektrische Halbbrücke aufweist, und mindestens ein weiteres, diskretes Halbleitermodul, aufweisend einen oder mehrere Leistungshalbleiter, die mindestens ein Paar aus einem Highside-Schalter und einem parallel zu dem Highside-Schalter geschalteten Lowside-Schalter bilden, so dass eine elektrische Halbbrücke gebildet wird. Außerdem ist je Stromphase ein eingangsseitiger Stromanschluss je Halbleitermodul zum Einkoppeln eines mittels einer Energiequelle erzeugten DC-Eingangsstroms vorgesehen, wobei die Stromphase zum Auskoppeln eines basierend auf dem DC-Eingangsstrom erzeugten AC-Ausgangsstroms eingerichtet ist. Ferner ist eine Verbindungsschiene vorgesehen, die jeweils mit einem AC-Phasenabgriff der Halbleitermodule elektrisch derart verbunden und angeordnet ist, dass ein gemeinsamer Phasenabgriff des AC-Ausgangsstroms aller des mindestens einen ersten Halbleitermoduls und der Leistungshalbleiter, also Highside-Schalter und der Lowside-Schalter, des mindestens einen diskreten Halbleitermoduls zu einer gemeinsamen Seite der Brückenschaltung erfolgt.
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Im Vergleich zu bisher bekannten Inverteraufbauten ist erfindungsgemäß eine Kombination aus einem (großen) Halbleitermodul mit integrierter elektrischer Halbbrücke und einem diskreten Halbleitermodul, also einem Modul mit einzelnen Packages, d.h. Highside und Lowside-Schaltern, vorgesehen, die zu einer Einheit zusammengeführt sind. Vorteilhaft ist dabei, dass durch die Möglichkeit, unterschiedlich gebildete Leistungshalbleiter zu verwenden, eine deutlich verbesserte Skalierung des Ausgangsstroms erreicht wird. Außerdem kann ein gemeinsamer Zwischenkreis eingesetzt werden. Durch die Verbindungsschiene wird ermöglicht, dass eine gemeinsame Phase mit den unterschiedlich gebildeten Halbleitermodulen verschaltet werden kann und die Phasenabgriffe aller Halbleitermodule zu einer vorgegebenen Seite der Brückenschaltung geführt werden können und damit ein einziger Ort zum AC-Stromabgriff vorhanden ist.
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In einer Ausführung sind Highside-Schalter und Lowside-Schalter beidseitig elektrisch kontaktierbar und derart angeordnet, dass ihre Ausgänge zum Abgriff des erzeugten AC-Ausgangsstroms in einem Abgriffbereich zwischen Highside-Schalter und Lowside-Schalter einander gegenüber liegen. Außerdem ist die Verbindungsschiene derart gebildet, dass sie mit einem ersten Endbereich am Abgriffbereich (für den erzeugten AC-Ausgangsstrom) des diskreten Halbleitermoduls und mit einem zweiten Endbereich am Abgriffsbereich (für den erzeugten AC-Ausgangsstrom) des ersten Halbleitermoduls befestigt ist. Der Phasenabgriff AC erfolgt dann entweder am Abgriffsbereich des ersten Halbleitermoduls (bevorzugt) oder am Abgriffsbereich des zweiten Halbleitermoduls.
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Da die Highside-Schalter und Lowside-Schalter in der Regel stets so angeordnet sind, dass sie mit ihren Abgriffsbereich einander gegenüberliegen und damit einen gemeinsamen Abgriffsbereich bilden, kann die Verbindungsschiene in diesem Bereich zum Phasenabgriff AC daran befestigt werden. Zur Kontaktierung des ersten Halbleitermoduls kann die Verbindungsschiene z.B. L-förmig gebildet sein und zuerst in Richtung Mitte des ersten Halbleitermoduls führen, um dann in Richtung Abgriffsbereich des ersten Halbleitermoduls abzuknicken. Dort kann dann der von allen Halbleitermodulen zusammengeführte AC-Ausgangsstrom von extern abgegriffen werden (Phasenabgriff).
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In einer Ausführung sind Highside-Schalter und Lowside-Schalter einseitig elektrisch kontaktierbar und ein Abgriffsbereich des erzeugten AC-Ausgangsstroms verläuft entlang eines Zwischenbereichs zwischen dem mindestens einen ersten Halbleitermodul und den Highside-Schaltern und den Lowside-Schaltern des mindestens einen diskreten Halbleitermoduls. Das heißt, dass die Kontaktanschlüsse der Highside-Schalter und Lowside-Schalter in Richtung des ersten Halbleitermoduls weisen. Außerdem ist die Verbindungsschiene derart gebildet, dass sie mit einem ersten Endbereich an einem Bereich des Abgriffsbereichs (für den erzeugten AC-Ausgangsstrom) des diskreten Halbleitermoduls und mit einem zweiten Endbereich am Abgriffsbereich (für den erzeugten AC-Ausgangsstrom) des ersten Halbleitermoduls befestigt ist. Auch in dieser Ausführung kann die Verbindungsschiene z.B. L-förmig gebildet sein.
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In einer Ausführung sind Highside-Schalter und Lowside-Schalter einseitig elektrisch kontaktierbar und ein Abgriffsbereich des erzeugten AC-Ausgangsstroms verläuft entlang eines Zwischenbereichs zwischen dem mindestens einen ersten Halbleitermodul und den Highside-Schaltern und den Lowside-Schaltern des mindestens einen diskreten Halbleitermoduls, also im Wesentlichen parallel zu der Seite des ersten Halbleitermoduls, an dessen Seite das diskrete Halbleitermodul angeordnet ist. Außerdem ist die Verbindungsschiene derart gebildet, dass sie derart mit einem ersten Endbereich an einem Endbereich des Abgriffsbereichs des diskreten Halbleitermoduls und mit einem zweiten Endbereich am Abgriffsbereich (für den erzeugten AC-Ausgangsstrom) des ersten Halbleitermoduls befestigt ist, dass sie den Abgriffsbereich des ersten Halbleitermoduls und den Abgriffsbereich des diskreten Halbleitermoduls außerhalb der Halbleitermodule miteinander verbindet. Das heißt, dass die Verbindungsschiene nicht über- oder unterhalb des ersten Halbleitermoduls geführt ist.
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In allen Ausführungen kann die Verbindungsschiene ober- oder unterhalb der den DC-Eingangsstrom führenden DC-/DC+-Schienen verlaufen.
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In einer Ausführung liegen der eingangsseitige Stromanschluss des ersten Halbleitermoduls und der AC-Stromabgriff einander in Bezug auf das erste Halbleitermodul gegenüber. Das heißt, dass der Eingangsstrom auf der dem AC-Phasenabgriff gegenüberliegenden Seite des ersten Halbleitermoduls vorgesehen ist. Dies vereinfacht die Leitungsführung.
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In einer Ausführung sind zwei oder drei oder ein Vielfaches von zwei oder drei Stromphasen vorgesehen. Die Stromphasen sind vorteilhaft parallel zueinander angeordnet.
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Da die Leitungen der Phasen, wenn mehrere vorhanden sind, örtlich nahe beieinanderliegen, wird die notwendige Länge der Leitungen der elektrischen Phasen zu einem gemeinsamen Übergabepunkt (Phasenabgriff AC) an die E-Maschine eines elektrischen Antriebs auf ein Minimum reduziert.
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In einer Ausführung ist mindestens ein zur Brückenschaltung parallelgeschalteter Zwischenkreis mit mindestens einem Kondensator vorgesehen. Es kann also sowohl ein gemeinsamer Zwischenkreis für alle Phasen als auch ein Zwischenkreis je Brückenschaltung vorgesehen sein.
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Vorteilhaft ist außerdem ein zwischen Zwischenkreis und Brückenschaltung angeordneter Kühlkörper vorgesehen. Dieser kann ebenfalls als einzelner Block bzw. Monolith zur Kühlung alle Phasen als auch pro Phase vorgesehen sein.
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Alternativ kann der Zwischenkreis auch neben der Brückenschaltung und dem Kühlkörper vorgesehen sein. Auch dabei berühren sich die Brückenschaltung und der Kühlkörper.
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In einer Ausführung sind unterschiedliche Typen an Leistungshalbleitern und/oder unterschiedliche Halbleitermaterialien für die Highside-Schalter und die Lowside-Schalter des diskreten Halbleitermoduls vorgesehen. Vorteilhaft weisen diese Halbleitermaterialien einen breiten Bandabstand auf. Somit können unterschiedliche Anforderungen an die Halbleiterschalter, z.B. ein schnelleres Schalten lediglich eines der Halbleiterschalter, besser realisiert werden.
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Ferner wird die Verwendung eines Elektronikmoduls mit dem Inverteraufbau zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs vorgeschlagen.
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Ferner wird ein Elektronikmodul zur Ansteuerung eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs vorgeschlagen, aufweisend einen Inverter mit einem Inverteraufbau. Auch wird ein Elektroantrieb eines Fahrzeugs, aufweisend das Elektronikmodul zur Ansteuerung eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, sowie ein Fahrzeug mit dem Elektroantrieb vorgeschlagen.
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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.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 bis 3 zeigen Draufsichten auf Inverteraufbauten gemäß unterschiedlichen Ausführungen der vorliegenden Erfindung.
- 4 und 5 zeigen Draufsichten auf Inverteraufbauten mit drei Phasen AC1-AC3 gemäß unterschiedlichen Ausführungen der vorliegenden Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wie bereits eingangs erwähnt, werden in bisher bekannten Invertern mehrere aus gegenüberliegend angeordneten und beidseitig kontaktierbaren Leistungshalbleitern, also Highside-Schaltern HS oder Lowside-Schaltern LS, bestehende Halbbrücken nebeneinander angeordnet. Der Phasenabgriff AC erfolgt in der Mitte zwischen den beiden Leistungshalbleitern, genauer an deren zusammengeführten Abgriffsbereichen. Der Zwischenkreis ist z.B. neben einem Teil der Halbleitermodule angeordnet, so dass der weiter von Zwischenkreis angeordnete Leistungshalbleiter, also Highside-Schalter HS oder Lowside-Schalter LS, eine größere Leitungslänge aufweisen muss. Alternativ zu beidseitig kontaktierbaren Leistungshalbleitern werden in manchen Ausführungen auch einseitig kontaktierbare Leistungshalbleiter verwendet.
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Durch die Verwendung von lediglich einem Typ und/oder Material für die Halbleitermodule oder Packages (also Leistungshalbleiter als Highside oder Lowside-Schalter) zur Minimierung der Komplexität der Schaltung wird eine starke Einschränkung der Flexibilität des Ausgangsstroms in Kauf genommen. Dieses Problem entsteht unter anderem durch eine beschränkte Auswahl an Herstellern der benötigten Komponenten, aber auch durch die Konfiguration, also Größe des Halbleiters, Flächenbedarf des Packages im Vergleich zur Halbleiterfläche etc.
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Der erfindungsgemäße Inverteraufbau gleicht diese Nachteile aus, wie anhand der in 1 bis 3 gezeigten möglichen Ausführungen dargestellt.
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In allen Ausführungen ist eine Brückenschaltung durch eine Kombination aus einem ersten Halbleitermodul HL1 und einem weiteren, diskreten Halbleitermodul HL2, was auch als Package bezeichnet werden kann, vorgesehen. Das erste Halbleitermodul HL1 beinhaltet eine elektrische Halbbrücke und ist sozusagen ein vorgefertigtes, im Verhältnis zum diskreten Halbleitermodul HL2 in seinen Abmessungen großes Bauteil. Das diskrete Halbleitermodul HL2 beinhaltet einen oder mehrere Leistungshalbleiter, die jeweils einen Highside-Schalter HS und einen Lowside-Schalter LS stellen, die zusammen zu einer elektrischen Halbbrücke verschaltet werden. Bei einem höheren benötigten Strom können weitere Module von HL1 oder HL2 parallelgeschaltet werden.
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Außerdem werden die AC-Phasen aller Halbleitermodule HL1 und HL2 mittels der Verbindungsschiene 10 miteinander verbunden und zu einer gemeinsamen Seite der Brückenschaltung, d.h. dem zugehörigen Phasenabgriff AC, geführt (in den Figuren im oberen Bereich des HL1 dargestellt). Somit kann ein gemeinsamer Abgriff des AC-Ausgangsstroms entweder am HL1 (bevorzugt) oder am HL2 erfolgen.
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1 bis 3 zeigen unterschiedliche Ausführungen eines Inverteraufbaus als Einzeldarstellung. 4 und 5 zeigen eine Anordnung mit drei Phasen AC1-AC3. Es können lediglich eine Phase AC1; AC2; AC3 oder zwei oder mehr Phasen (mit der entsprechenden Anzahl an Halbleitermodulen) vorgesehen sein, z.B. ein Vielfaches von zwei oder drei, z.B. sechs, neun, zwölf etc.
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Der dargestellte Inverteraufbau weist je elektrischer Phase AC1-AC3 zwei unterschiedliche Arten an Halbleitermodulen HL1 und HL2 auf, wie bereits eingangs erwähnt.
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Das erste Halbleitermodul HL1 wird von einer Seite mit einem DC-Eingangsstrom (DC+ und DC-) versorgt. Der Abgriff des AC-Ausgangsstroms erfolgt vorteilhafterweise auf einer gegenüberliegenden Seite des ersten Halbleitermoduls HL1 (am Phasenabgriff AC).
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Neben einer der beiden freien Seiten des ersten Halbleitermoduls HL1 ist in einem Abstand dazu ein weiteres Halbleitermodul HL2 angeordnet, das allerdings im Gegensatz zum ersten Halbleitermodul HL1 diskret aufgebaut ist, d.h. aus Einzelkomponenten zusammengesetzt ist. Diese Einzelkomponenten sind Leistungshalbleiter, die als Paar aus einem Highside-Schalter HS und einem Lowside-Schalter LS gebildet sind und eine elektrische Halbbrücke bilden. Dabei kann vorgesehen sein, dass mehrere Highside-Schalter HS und mehrere Lowside-Schalter LS miteinander kombiniert werden, um die elektrische Halbbrücke zu bilden, wie in 2 und 3 gezeigt.
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Auch das diskrete Halbleitermodul HL2 wird über einen DC-Eingangsstrom (DC+ und DC-) versorgt, wobei die entsprechenden Stromschienen je nach Ausführung der Leistungshalbleiter angeordnet sind. Auch der Abgriff des AC-Ausgangsstroms am Phasenabgriff AC erfolgt in Abhängigkeit von der Ausführung der Leistungshalbleiter.
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Je nachdem, ob die Leistungshalbleiter einseitig oder beidseitig elektrisch kontaktierbar sind, sind die Stromschienen unterhalb (oder oberhalb) der Leistungshalbleiter oder in einem Zwischenraum zwischen den Leistungshalbleitern und dem ersten Halbleitermodul HL1 vorgesehen, wie in den Figuren schematisch dargestellt.
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In einer ersten, in 1 gezeigten Ausführung, sind die die Leistungshalbleiter beidseitig elektrisch kontaktierbar. Die Highside-Schalter HS und Lowside-Schalter LS sind durch einen Abstand voneinander getrennt. Vorteilhaft liegen hier die AC-Abgriffe der Highside-Schalter HS und der Lowside-Schalter LS einander gegenüber und bilden einen gemeinsamen Abgriffbereich (Phasenabgriff AC). In dem Abstand zwischen Highside-Schalter HS und Lowside-Schalter LS ist ein Endbereich einer Verbindungsschiene 10 aus elektrisch leitfähigem Material befestigt, die zum Abgriff des AC-Ausgangsstroms vom zweiten Halbleitermodul HL2 dient. Um das Ziel zu erreichen, dass für beide Halbleitermodule HL1 und HL2 ein gemeinsamer Phasenabgriff AC des AC-Ausgangsstroms auf einer Seite der Brückenschaltung möglich ist, ist der andere Endbereich der Verbindungsschiene 10 zum ersten Halbleitermodul HL1 geführt und mit dessen Abgriffsbereich verbunden. Hierfür kann sie, wie in 1 und 2 gezeigt, z.B. L-förmig gebildet sein. In dieser Ausführung führt sie zuerst seitlich von dem Abgriffsbereich (Phasenabgriff AC) des diskreten Halbleitermoduls HL2 weg und knickt dann in einem rechten Winkel in etwa in der Mitte des ersten Halbleitermoduls HL1 in Richtung zu dessen Abgriffsbereich (Phasenabgriff AC) ab. Die Führung der Verbindungsschiene 10 kann auch in einer anderen Form erfolgen.
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In den in 2 und 3 gezeigten Ausführungen sind die Leistungshalbleiter einseitig elektrisch kontaktierbar, wobei deren elektrische Kontakte in Richtung erstes Halbleitermodul HL1 weisen. Auch in diesen Ausführungen sind die unterschiedlichen Leistungshalbleitertypen, also Highside-Schalter HS und Lowside-Schalter LS, durch einen Abstand voneinander getrennt.
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Da eine einseitige elektrische Kontaktierung vorliegt, können die DC-Stromschienen und die Verbindungsschiene 10 zum Abgriff des AC-Ausgangsstroms der einzelnen Leistungshalbleiter für das diskrete Halbleitermodul HL2 in dem Zwischenbereich bzw. entlang des Zwischenbereichs zwischen erstem Halbleitermodul HL1 und diskretem Halbleitermodul HL2 vorgesehen sein. Sie können übereinander angeordnet sein.
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In der in 2 gezeigten Ausführung erfolgt die Kontaktierung der Verbindungsschiene 10 wie in der in 1 gezeigten Ausführung mittels einer L-förmigen Verbindungsschiene 10, die von dem Abgriffbereich des diskreten Halbleitermoduls HL2 in Richtung erstes Halbleitermodul HL1 und bis in etwas dessen Mitte führt und dann in einem rechten Winkel zu dem Abgriffsbereich (Phasenabgriff AC) des ersten Halbleitermoduls HL1 abknickt und an einem Endbereich davon damit verbunden wird.
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In der in 3 gezeigten Ausführung wird die Verbindungsschiene 10 nicht über das erste Halbleitermodul HL1 geführt, sondern wird erst am Endbereich der AC-Abgriffschiene des diskreten Halbleitermoduls HL2, die entlang des Zwischenraums zwischen erstem und diskretem Halbleitermodul HL1 bzw. HL2 geführt ist, zum Abgriffsbereich (Phasenabgriff AC) des ersten Halbleitermoduls HL1 geführt. Somit ist die Verbindungsschiene 10 in dieser Ausführung stets außerhalb der Halbleitermodule HL1 und HL2, genauer deren Gehäuse, geführt.
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In 4 und 5 sind mehrere nebeneinander angeordnete der in 1 bzw. 3 gezeigten Modulanordnungen zur Veranschaulichung dargestellt. Das heißt, dass nicht nur eine Phase AC1 realisierbar ist, sondern mehrere. In 4 und 5 sind jeweils drei Phasen AC1-AC3 realisiert.
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Je nach Leistungsbedarf können in dieser Anordnung mehr oder weniger Halbleitermodule HL1 und HL2 ohne eine nachteilige Auswirkung auf die elektrische Anbindung der Halbleitermodule parallelgeschaltet werden. Auch kann eine Leistungsanpassung ohne wesentliche Beeinträchtigung der elektrischen Anbindung erfolgen, indem mehr oder weniger Halbbrücken, also Highside-Schalter HS und Lowside-Schalter LS, vorgesehen werden.
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Der Inverteraufbau ermöglicht durch die Kombination aus den beiden unterschiedlich gebildeten Halbleitermodulen HL1 und HL2 eine größere Flexibilität des Ausgangsstroms bei gleichzeitiger Nutzung einer gemeinsamen Phase zum Abgriff des AC-Ausgangsstroms am jeweiligen Phasenabgriff AC. Vorteilhaft ist auch, dass der AC-Ausgangsstrom an eine vorgegebene Stelle zusammengeführt wird, um dort weiterverteilt zu werden. Dies vereinfacht den Aufbau. Auch kann ein gemeinsamer Zwischenkreis eingesetzt werden. Die Zwischenkreisverschienung von allen Halbleitermodulen HL1 und HL2 der Anordnung wird ebenso zu einer gemeinsamen Seite geführt, z.B. zum dem AC-Abgriff gegenüberliegenden Ende. Hier können wiederum (in den Figuren nicht eingezeichnete) Verbindungsschienen vorgesehen sein oder eine flächige Anbindung an den Zwischenkreis realisiert werden.
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Durch Verwenden des diskreten Halbleitermoduls HL2 können unterschiedliche Halbleitertypen und unterschiedliche Halbleitermaterialien innerhalb eines Inverters eingesetzt werden. Die gewählten Halbleitertypen und Halbleitermaterialien sind vorteilhaft solche, die eine aktive Schaltung erlauben und die eine breite Bandlücke bzw. einen breiten Bandabstand (Engl.: wide bandgap) aufweisen, wie z.B. Si-IGBT, SiC-Mosfet, SiC-Kaskode, GaN. Das heißt, es können nicht nur verschiedene Leistungshalbleiter im Inverteraufbau eingesetzt werden, sondern auch unterschiedliche Typen an Halbleitern gleichzeitig innerhalb des Inverteraufbaus, d.h. innerhalb jedes Halbleitermoduls.
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Highside-Schalter HS und Lowside-Schalter LS bilden eine Halbbrücke, wobei jeweils ein Highside-Schalter HS und ein Lowside-Schalter LS (wie in 1 gezeigt) oder mehrere Highside-Schalter HS und mehrere Lowside-Schalter LS (wie in 2 und 3 gezeigt) die Halbbrücke bilden können.
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Die aus den beiden Halbleitermodulen HL1 und HL 2 gebildete Brückenschaltung ist auf einer Leiterplatte aufbringbar, sodass die Leistungsschalter 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 sind. Das Steuergerät ist daher in der Lage, die Leistungsschalter HS bzw. LS 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.
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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 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.
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Bezugszeichenliste
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- HL1
- erstes Halbleitermodul
- HL2
- diskretes Halbleitermodul
- HS
- Highside-Schalter von HL2
- LS
- Lowside-Schalter von HL2
- AC
- (AC-)Phasenabgriff von HL1 und HL2
- AC1-AC3
- AC-Stromphasen/ ausgangsseitiger Stromanschluss
- DC+/DC-
- DC-Eingangsstrom
- 10
- AC-Verbindungsschiene zum Phasenabgriff
