-
Die Erfindung betrifft eine elektronische Baugruppe mit wenigstens einer Halbbrücke, die zwei in Serie geschaltete elektronische Schalter aufweist.
-
Eine derartige elektronische Baugruppe wird beispielsweise in Spannungsreglern und Spannungswandlern verwendet. Die elektronischen Schalter der Baugruppe werden üblicherweise auf einer Seite eines elektrisch isolierenden Bauteilträgers, beispielsweise einer Keramik aufgebracht, beispielsweise durch Löten oder Sintern. Der Bauteilträger ist zur Wärmespreizung in der Regel beidseitig mit Metall, beispielsweise mit Kupfer beschichtet. Die untere metallbeschichtete Seite des Bauteilträgers wird häufig, beispielsweise durch Löten oder Sintern, auf ein schirmend ausgeführtes metallisches Gehäuse eines Steuergerätes aufgebracht, welches mit Kühlkanälen durchzogen ist. Wenn ein Kühlmittel durch diese Kühlkanäle fließt, kann die von dem Kühlmittel aufgenommene Wärmeenergie nach außen, das heißt von den elektronischen Schaltern weg, transportiert werden.
-
Dabei bildet der Bauteilträger den Flaschenhals des Wärmeübertragungspfades. Aufgrund der Übertragung der Wärme mittels Gitterschwingungen des Isolators kann nur ein deutlich geringerer Wärmestrom als durch Metalle, deren Wärmeübertragung auf beweglichen Elektronen beruht, transportiert werden, beispielsweise nur ein Zehntel bis ein Drittel des von einem Metall transportierbaren Wärmestroms.
-
Außerdem bildet der beidseitig mit Metall beschichtete Bauteilträger einen Plattenkondensator, dessen Kapazität in einem hohen pF-Bereich liegen kann. Der durch die Schaltspannungen der elektronischen Schalter durch diese Kapazität getriebene Strom liegt bei Invertern bzw. Konvertern im vielfachen kW-Bereich bei einer Frequenz von 10 MHz noch im mA-Bereich. Ströme in diesem Frequenzbereich dürfen jedoch 1,3 µA nicht überschreiten, damit die Emissionsgrenzwerte eingehalten werden.
Zur elektrischen Verbindung der elektronischen Schalter werden ferner in der Regel Bonddrähte eingesetzt. Dadurch werden großflächige Stromkreise aufgespannt, die bei Strömen von mehreren hundert Ampere zu starken Magnetfeldern führen, welche die Umgebung durchdringen und potentiell stören. Auch die elektrischen Felder, die bei Potentialdifferenzen beispielsweise im kV-Bereich in dem System auftreten, ragen bei dieser Aufbautechnologie weit in den umgebenden Raum hinaus und können potentiell stören.
-
Aus
DE 11 2016 000 158 T5 ist ein Leistungshalbleitermodul bekannt. Dieses umfasst eine Metallbasisplatte mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, ein mehrlagiges Substrat, das mit der ersten Oberfläche verbunden ist und eine dritte und eine vierte Oberfläche umfasst, sowie ein Halbleiterelement, das auf der dritten Oberfläche aufgebracht ist. Weiterhin umfasst das Leistungshalbleitermodul ein Kühlgehäuse mit einer Bodenwand und einer Seitenwand, die um die Bodenwand ausgebildet ist. Ein Ende der Seitenwand ist mit einer Seite der zweiten Oberfläche der Metallbasisplatte verbunden und ein Kühlmittel kann in einem Raum umgewälzt werden, der durch die Metallbasisplatte, die Bodenwand und die Seitenwand umschlossen ist. Das Kühlgehäuse weist einen Einlassabschnitt und einen Auslassabschnitt für das Kühlmittel auf, die entweder mit der Bodenwand oder mit der Seitenwand verbunden sind und entlang einer Umfangskante der zweiten Oberfläche der Metallbasisplatte angeordnet sind.
-
Aus
US 2016/ 0 343 640 A1 ist ein Kühler eines Halbleiterbauelements bekannt. Der Kühler umfasst einen Einlassabschnitt und einen Auslassabschnitt für eine Kühlflüssigkeit, einen Einlasspfad, einen Auslasspfad und einen Kühlströmungspfad. Der Einlasspfad und der Auslasspfad haben eine asymmetrische, ebene Form. Verbindungsabschnitte jeweils zwischen dem Einlasspfad und dem Einlassabschnitt sowie zwischen dem Auslasspfad und dem Auslassabschnitt liegen dem Kühlströmungspfad jeweiliger Bereiche unmittelbar unter mehreren auf dem Kühler angeordneten Schaltungssubstraten gegenüber.
-
Aus
JP 2012- 64 609 A ist ein Stromrichter mit Leistungshalbleitermodulen bekannt, die mit der Oberfläche eines Kühlkörpers metallverbunden sind. Mehrere Leistungshalbleitermodule werden parallel montiert, um Öffnungen eines Formteils zu schließen und Kühlkanäle in Längsrichtung der Module auszubilden.
-
Aus
US 2015/ 0 116 022 A1 ist eine Halbbrückenschaltung bekannt. Die Halbbrückenschaltung umfasst ein isolierendes Substrat, eine Metallschicht auf einer Oberfläche des isolierenden Substrats und ein Fernspeiseschleifensubstrat auf der Metallschicht. Weiterhin umfasst die Schaltung einen oberen Schalter auf dem Fernspeiseschleifensubstrat, einen unteren Schalter auf dem Fernspeiseschleifensubstrat, der mit dem oberen Schalter gekoppelt ist, und einen Kondensator auf dem Fernspeiseschleifensubstrat, der ebenfalls mit dem oberen Schalter gekoppelt ist.
-
Aus
US 2014/ 0 334 203 A1 ist ein Stromrichter bekannt. Der Stromrichter enthält ein Schaltelement, einen Snubber- oder Dämpfungskondensator und einen Verbindungsleiter, der das Schaltelement und den Snubber- oder Dämpfungskondensator miteinander verbindet.
-
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich der Kühlung und der elektromagnetischen Verträglichkeit verbesserte elektronische Baugruppe mit wenigstens einer Halbbrücke, die zwei in Serie geschaltete elektronische Schalter aufweist, anzugeben.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektronische Baugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Eine erfindungsgemäße elektronische Baugruppe umfasst:
- - einen elektrischen Gleichspannungszwischenkreis mit einem Pluspol und einem Minuspol,
- - wenigstens eine Halbbrücke mit einem mit dem Pluspol verbundenen elektronischen High-Side-Schalter und einem mit dem Minuspol verbundenen elektronischen Low-Side-Schalter,
- - für jeden High-Side-Schalter einen metallischen High-Side-Kühlblock, auf dem der High-Side-Schalter angeordnet ist,
- - wenigstens einen metallischen Low-Side-Kühlblock, auf dem wenigstens ein Low-Side-Schalter angeordnet ist, und
- - ein metallisches geschlossenes Gehäuse, in dem der Gleichspannungszwischenkreis, jede Halbbrücke und jeder Kühlblock angeordnet sind und das Kühlmittelanschlüsse zur Zuführung und Abführung eines Kühlmittels aufweist, wobei
- - die Kühlblöcke jeweils wenigstens einen Kühlkanal aufweisen und die Kühlkanäle miteinander und mit den Kühlmittelanschlüssen verbunden sind, so dass ein Kühlmittel zwischen den Kühlmittelanschlüssen durch die Kühlkanäle leitbar ist,
- - der High-Side-Schalter und der Low-Side-Schalter jeder Halbbrücke durch eine Verbindungsleitung, die einen Halbbrückenabgriff der Halbbrücke aufweist, und eine parallel zu der Verbindungsleitung, dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter verlaufende Kompensationsleitung, in der ein Halbbrückenkondensator angeordnet ist, elektrisch verbunden sind,
- - die High-Side-Kühlblöcke voneinander, von dem Pluspol und von jedem Low-Side-Kühlblock elektrisch isoliert sind, und
- - jeder Low-Side-Kühlblock von den Verbindungsleitungen isoliert und mit dem Minuspol und mit dem Gehäuse elektrisch leitend verbunden ist.
-
Die Begriffe High-Side-Schalter und Low-Side-Schalter werden hier verwendet, um die mit dem Pluspol verbundenen elektronischen Schalter (High-Side-Schalter) von den mit dem Minuspol verbundenen elektronischen Schaltern (Low-Side-Schalter) zu unterscheiden. Die Begriffe beziehen sich also auf die elektrische Verschaltung der Schalter in der Baugruppe, nicht auf die physikalische Ausbildung der Schalter. Physikalisch können die High-Side-Schalter und die Low-Side-Schalter identisch ausgebildet sein. Die Begriffe High-Side-Kühlblock und Low-Side-Kühlblock werden hier verwendet, um einen Kühlblock, auf dem ein High-Side-Schalter angeordnet ist, von einem Kühlblock zu unterscheiden, auf dem wenigstens ein Low-Side-Schalter angeordnet ist. Diese Begriffe beziehen sich somit auf die Zuordnung des jeweiligen Kühlblocks zu einem High-Side-Schalter oder wenigstens einem Low-Side-Schalter, nicht auf die physikalische Ausbildung des Kühlblocks. Ein High-Side-Kühlblock kann daher physikalisch ähnlich wie ein Low-Side-Kühlblock ausgebildet sein.
-
Eine erfindungsgemäße elektronische Baugruppe unterscheidet sich von oben beschriebenen herkömmlichen Baugruppen einerseits durch eine verbesserte Kühlung und andererseits durch eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit.
-
Die Kühlung wird dadurch verbessert, dass die Baugruppe keinen elektrisch isolierenden Bauteilträger aufweist, auf dem die High-Side-Schalter und Low-Side-Schalter aufgebracht sind. Stattdessen sind diese Schalter jeweils direkt auf einem metallischen Kühlblock angeordnet, der wenigstens einen Kühlkanal aufweist, durch den ein Kühlmittel leitbar ist. Dadurch wird die Wärmeabfuhr von den Schaltern wesentlich verbessert gegenüber einer Baugruppe mit einem elektrisch isolierenden Bauteilträger, auf dem die Schalter angeordnet sind.
-
Die elektromagnetische Verträglichkeit wird einerseits durch eine Kompensation von Magnetfeldern, die von den durch die Schalter fließenden elektrischen Strömen erzeugt werden, und andererseits durch eine räumliche Begrenzung von elektrischen Feldern, die von Potentialdifferenzen zwischen elektrischen Potentialen der Baugruppe verursacht werden, gegenüber herkömmlichen Baugruppen verbessert.
-
Die Kompensation der Magnetfelder wird dadurch erreicht, dass parallel zu dem High-Side-Schalter, dem Low-Side-Schalter und deren Verbindungsleitung jeder Halbbrücke eine Kompensationsleitung verläuft, in der ein Halbbrückenkondensator angeordnet ist. Die Kompensationsleitung stellt einen Rückflusspfad für den hochfrequenten Stromanteil bereit, der über die Verbindungsleitung, den High-Side-Schalter und den Low-Side-Schalter fließt. Der in der Kompensationsleitung fließende hochfrequente Strom ist dem in der Verbindungsleitung, dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter fließenden hochfrequenten Stromanteil entgegengesetzt und erzeugt daher ein Magnetfeld, das das von dem in der Verbindungsleitung, dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter fließenden hochfrequenten Stromanteil erzeugte Magnetfeld zumindest teilweise kompensiert.
-
Die räumliche Begrenzung der elektrischen Felder wird insbesondere dadurch erreicht, dass das Gehäuse der Baugruppe geschlossen und mit dem Minuspol des Gleichspannungszwischenkreises verbunden ist. Dadurch werden die elektrischen Felder im Wesentlichen auf das Innere des Gehäuses begrenzt und von diesen Feldern erzeugte elektrische Ströme werden auf kurzen Wegen wieder ihren Quellen zugeführt.
-
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung weist die elektronische Baugruppe genau einen Low-Side-Kühlblock auf, auf dem alle Low-Side-Schalter angeordnet sind. Diese Ausgestaltung der Erfindung reduziert im Fall, dass die Baugruppe mehrere Halbbrücken mit elektronischen Schaltern aufweist, vorteilhaft die Anzahl von Bauelementen der Baugruppe gegenüber einer Ausführung mit mehreren Low-Side-Kühlblöcken, beispielsweise mit einem Low-Side-Kühlblock für jeden Low-Side-Schalter.
-
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Gleichspannungszwischenkreis eine Kondensatoreinheit mit einer Kapazität auf, die funktional bedingt um einen Faktor im Bereich von 10 bis 50 größer als die Kapazität jedes Halbbrückenkondensators, der die hochfrequenten Stromanteile im MHz- bis GHz-Bereich führen soll, ist.
-
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung verlaufen die Verbindungsleitung und die Kompensationsleitung jeder Halbbrücke in einem Abstand von höchstens 3 mm voneinander. Diese Ausgestaltung der Erfindung berücksichtigt, dass die oben beschriebene Kompensation der Magnetfelder, die von den in der Verbindungsleitung, dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter und der Kompensationsleitung einer Halbbrücke fließenden Strömen erzeugt werden, mit abnehmendem Abstand der Kompensationsleitung von der Verbindungsleitung, dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter zunimmt. Daher ist ein möglichst geringer Abstand der Kompensationsleitung von der Verbindungsleitung vorteilhaft.
-
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist jeder High-Side-Kühlblock von jedem Low-Side-Kühlblock in einem Abstand von höchstens 10 mm angeordnet. Diese Ausgestaltung der Erfindung berücksichtigt, dass ein High-Side-Kühlblock praktisch immer auf einem anderen elektrischen Potential als ein Low-Side-Kühlblock liegt. Diese Potentialdifferenz verursacht ein elektrisches Feld, dessen räumliche Ausdehnung durch eine Reduzierung des Abstands zwischen dem High-Side-Kühlblock und dem Low-Side-Kühlblock reduziert werden kann. Daher ist ein geringer Abstand zwischen dem High-Side-Kühlblock und dem Low-Side-Kühlblock vorteilhaft, um die räumliche Ausdehnung des elektrischen Feldes zu begrenzen.
-
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die Verbindungsleitung, der High-Side-Schalter und der Low-Side-Schalter und die Kompensationsleitung jeder Halbbrücke dieselbe Breite oder dieselbe Breite und Dicke auf. Dies ermöglicht vorteilhaft eine besonders gute Kompensation der Magnetfelder durch eine gleichartige Ausbildung der Verbindungsleitung, des High-Side-Schalters und des Low-Side-Schalters und der Kompensationsleitung.
-
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die elektronische Baugruppe eine mehrlagige Leiterplatte auf, die eine erste Lage mit Kontaktelementen für die Verbindungsleitungen, die High-Side-Schalter und die Low-Side-Schalter der Halbbrücken und eine zweite Lage, in der Kompensationsleitungsabschnitte der Kompensationsleitungen verlaufen. Eine derartige Leiterplatte ermöglicht vorteilhaft eine Anordnung der Kontaktelemente der Verbindungsleitungen, der High-Side-Schalter und der Low-Side-Schalter und Kompensationsleitungsabschnitte in einem definierten, sehr geringen Abstand voneinander in voneinander verschiedenen Lagen der Leiterplatte. Ferner werden zur elektrischen Verbindung des High-Side-Schalters und des Low-Side-Schalters einer Halbbrücke keine Bonddrähte eingesetzt, die die oben genannten Nachteile aufweisen.
-
Die Leiterplatte kann ferner eine dritte Lage mit einer mit dem Pluspol verbundenen, elektrisch leitfähigen ersten Spannungsversorgungsfläche und eine vierte Lage mit einer mit dem Minuspol verbundenen, elektrisch leitfähigen zweiten Spannungsversorgungsfläche aufweisen. Die beiden Spannungsversorgungsflächen bilden vorteilhaft eine flächige Spannungsversorgung, die den Rückfluss elektrischer Ströme hoher Frequenzen zu den Quellen (nämlich den elektronischen Schaltern) auf kurzen Wegen ermöglicht. Die Anordnung der Spannungsversorgungsflächen in Lagen der Leiterplatte ermöglicht ferner eine Anordnung der Pole dieser Spannungsversorgung in einem definierten, sehr geringen Abstand voneinander, wodurch das durch die Spannungsversorgungsflächen erzeugte elektrische Feld vorteilhaft räumlich begrenzt wird. Da der Minuspol in der Regel gleichzeitig das Bezugspotential der elektronischen Baugruppe vorgibt, kann die Leiterplatte außerdem, beispielsweise auf einer von der dritten Lage abgewandten Seite der vierten Lage, vorteilhaft weitere Lagen aufweisen, beispielsweise zum Verdrahten und Bestücken auf das Bezugspotential bezogener Ansteuer- und Auswerteschaltungen der Baugruppe.
-
Außerdem kann die Leiterplatte eine fünfte Lage aufweisen, auf oder in der alle Halbbrückenkondensatoren angeordnet sind. Die Anordnung der Halbbrückenkondensatoren auf oder in einer fünften, insbesondere einer äußeren Lage der Leiterplatte ist sinnvoll, da die Halbbrückenkondensatoren eine größere Bauhöhe als die übrigen Kompensationsleitungsabschnitte aufweisen und daher eine Anordnung der Halbbrückenkondensatoren in derselben Lage wie diese Kompensationsleitungsabschnitte ungünstig sein kann.
-
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Gehäuse der elektronischen Baugruppe wenigstens teilweise mit einem Dielektrikum befüllt, beispielsweise mit einem Dielektrikum, das eine relative Permittivität von wenigstens 3 aufweist. Durch das Dielektrikum kann eine Durchschlagfestigkeit des Innenraumes des Gehäuses erhöht werden, wodurch die Abstände von Bauteilen mit hohen Potentialdifferenzen im Innenraum des Gehäuses reduziert werden können, wodurch wiederum die von den Potentialdifferenzen erzeugten elektrischen Felder vorteilhaft räumlich begrenzt werden.
-
Das Dielektrikum ist ferner beispielsweise ein Thermoplast, ein Duroplast oder ein isolierender Verguss. Dadurch kann insbesondere eine einfache mechanische Fixierung von Bauteilen wie den Kühlblöcken im Innenraum des Gehäuses mittels des Dielektrikums erreicht werden.
-
Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung von Komponenten einer elektronischen Baugruppe,
- 2 eine perspektivische Darstellung von in einem Gehäuse einer elektronischen Baugruppe angeordneten Komponenten der Baugruppe,
- 3 eine perspektivische Darstellung von in einem Gehäuse einer elektronischen Baugruppe angeordneten Komponenten der Baugruppe wie in 2 mit einer in dem Gehäuse angeordneten Leiterplatte,
- 4 eine perspektivische Darstellung von in einem Gehäuse einer elektronischen Baugruppe angeordneten Komponenten der Baugruppe wie in 2 mit auf einer ersten Lage einer Leiterplatte angeordneten Bauelementen,
- 5 eine perspektivische Darstellung von in einem Gehäuse einer elektronischen Baugruppe angeordneten Komponenten der Baugruppe wie in 2 mit einer zweiten Lage einer Leiterplatte,
- 6 dieselbe Darstellung wie in 5 mit über der zweiten Lage der Leiterplatte angeordneten Halbbrückenkondensatoren,
- 7 eine perspektivische Darstellung von in einem Gehäuse einer elektronischen Baugruppe angeordneten Komponenten der Baugruppe wie in 2 mit einer dritten Lage einer Leiterplatte,
- 8 eine perspektivische Darstellung von in einem Gehäuse einer elektronischen Baugruppe angeordneten Komponenten der Baugruppe wie in 2 mit einer vierten Lage einer Leiterplatte,
- 9 eine perspektivische Darstellung der in 1 dargestellten Komponenten einer elektronischen Baugruppe mit einem Dielektrikum,
- 10 eine perspektivische Darstellung einer elektronischen Baugruppe mit geschlossenem Gehäuse,
- 11 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kühlsystems einer elektronischen Baugruppe,
- 12 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kühlsystems einer elektronischen Baugruppe,
- 13 schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel eines Kühlsystems einer elektronischen Baugruppe.
-
Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
-
Die 1 bis 10 zeigen perspektivische Darstellungen eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe 100 (dargestellt in 10) beziehungsweise von Teilen der Baugruppe 100 (dargestellt in 1 bis 9). Die Baugruppe 100 umfasst einen elektrischen Gleichspannungszwischenkreis 6.1 (schematisch dargestellt in 2) mit einem Pluspol und einem Minuspol und einer Kondensatoreinheit. Das elektrische Potential des Minuspols definiert ein Bezugspotential (Massepotential) der Baugruppe 100. Der Gleichspannungszwischenkreis 6.1 ist in einem Zwischenkreisgehäuse 6 angeordnet. Ferner umfasst die Baugruppe 100 drei Halbbrücken 101 mit jeweils einem mit dem Pluspol verbundenen elektronischen High-Side-Schalter 1 und einem mit dem Minuspol verbundenen elektronischen Low-Side-Schalter 2, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Außerdem umfasst die Baugruppe 100 drei metallische High-Side-Kühlblöcke 3, auf denen jeweils einer der High-Side-Schalter 1 angeordnet ist, und einen Low-Side-Kühlblock 4, auf dem die Low-Side-Schalter 2 angeordnet sind. Das Zwischenkreisgehäuse 6, die Halbbrücken 101 und die Kühlblöcke 3, 4 sind in einem metallischen Gehäuse 5 der Baugruppe 100 angeordnet. Das Gehäuse 5 ist mit einem Gehäusedeckel 5.1 verschlossen und weist zwei Kühlmittelanschlüsse 7, 8 zur Zuführung und Abführung eines Kühlmittels auf.
-
Im Folgenden ist angenommen, dass die High-Side-Schalter 1 und die Low-Side-Schalter 2 jeweils als ein Transistor mit einem Halbleiter mit breitem Bandabstand (Wide Bandgap Transistor, abgekürzt WBT), z.B. in GaN oder SiC Technologie ausgeführt, ausgebildet sind. In anderen Ausführungsbeispielen können sie aber auch jeweils als ein anderer elektronischer Schalter ausgebildet sein, beispielsweise als ein IGBT (Abkürzung für insulated-gate bipolar transistor, deutsch: Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) und eine antiparallel geschaltete Freilaufdiode. Im letzteren Fall sind die für die elektrischen Anschlüsse eines WBT verwendeten Begriffe Drain, Source und Gate gegebenenfalls durch entsprechende Begriffe zu ersetzen, beispielsweise im Fall eines IGBT Drain durch Kollektor und Source durch Emitter.
-
1 (1) zeigt die Kühlblöcke 3, 4, die High-Side-Schalter 1 und die Low-Side-Schalter 2. Die Kühlblöcke 3, 4 weisen miteinander und mit den Kühlmittelanschlüssen 7, 8 verbundene Kühlkanäle 19, 20 (siehe 11) auf, durch die das Kühlmittel zwischen den Kühlmittelanschlüssen 7, 8 leitbar ist. Die Kühlkanäle 19, 20 der Kühlblöcke 3, 4 sind durch Kühlmittelleitungen 9 miteinander verbunden, die beispielsweise jeweils als ein Rohr oder ein Schlauch ausgebildet sind.
-
Die High-Side-Kühlblöcke 3 sind nebeneinander mit einem Abstand e voneinander angeordnet. Jeder High-Side-Kühlblock 3 ist in einem Abstand d von dem Low-Side-Kühlblock 4 angeordnet. Der Abstand e beträgt beispielsweise höchstens 30 mm, der Abstand d beträgt beispielsweise höchstens 10 mm.
-
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist jeder Kühlblock 3, 4 einen Grundkörper 10 und eine darauf aufgebrachte Verbindungsmetallschicht 10.1 auf, auf der der jeweilige High-Side-Schalter 1 aufgebracht ist beziehungsweise die Low-Side-Schalter 2 aufgebracht sind. In anderen Ausführungsbeispielen können die Verbindungsmetallschichten 10.1 entfallen, wenn die Grundkörper 10 der Kühlblöcke 3, 4 jeweils aus einem geeigneten Metall gefertigt ist, so dass die High-Side-Schalter 1 jeweils direkt auf den Grundkörper 10 eines High-Side-Kühlblocks 3 und die Low-Side-Schalter 2 jeweils direkt auf den Grundkörper 10 des Low-Side-Kühlblocks 4 aufgebracht werden können.
-
2 (2) zeigt die Kühlblöcke 3, 4, die High-Side-Schalter 1 die Low-Side-Schalter 2 und das Zwischenkreisgehäuse 6 in dem Gehäuse 5, das hier und in den 3 bis 8 ohne den Gehäusedeckel 5.1 dargestellt ist. Das Zwischenkreisgehäuse 6 ist seitlich neben den Kühlblöcken 3, 4 angeordnet. Aus dem Zwischenkreisgehäuse 6 sind eine positive Hochpotentialschiene 11 und eine negative Hochpotentialschiene 12 herausgeführt. Die positive Hochpotentialschiene 11 verbindet die High-Side-Schalter 1 mit dem Pluspol. Die negative Hochpotentialschiene 12 verbindet die Low-Side-Schalter 2 mit dem Minuspol. Die High-Side-Kühlblöcke 3 sind voneinander, von der positiven Hochpotentialschiene 11 und von dem Low-Side-Kühlblock 4 elektrisch isoliert. Der Low-Side-Kühlblock 4 ist gegen Verbindungsleitungen 15, die jeweils den High-Side-Schalter 1 und den Low-Side-Schalter 2 einer Halbbrücke 101 elektrisch miteinander verbinden, isoliert und mit dem Minuspol und mit dem Gehäuse 5 elektrisch leitend verbunden.
-
Die 3 bis 8 zeigen die Verschaltung der High-Side-Schalter 1 und der Low-Side-Schalter 2 mittels einer mehrlagigen Leiterplatte 13.
-
3 (3) zeigt die Anordnung der Leiterplatte 13 über den High-Side-Schaltern 1 und den Low-Side-Schaltern 2. Auf einer von den High-Side-Schaltern 1 und den Low-Side-Schaltern 2 abgewandten fünften Lage 13.5 der Leiterplatte 13 ist für jede Halbbrücke 101 ein Halbbrückenkondensator 14 angeordnet. Jeder Halbbrückenkondensator 14 weist beispielsweise eine Kapazität auf, die um einen Faktor im Bereich von 10 bis 50 kleiner ist als die Kapazität der Kondensatoreinheit des Gleichspannungszwischenkreises 6.1. Ferner ist jeder Halbbrückenkondensator 14 vorzugsweise als ein SMD-artiges Bauelement (SMD: Abkürzung für surface-mounted device, deutsch: oberflächenmontiertes Bauelement) mit einer geringen Bauhöhe ausgeführt, beispielsweise als Folien-, Silizium- oder Keramikkondensator.
-
4 (4) zeigt auf einer ersten Lage 13.1 der Leiterplatte 13, die den High-Side-Schaltern 1, den Low-Side-Schaltern 2 und den Verbindungsleitungen 15 zugewandt ist, angeordnete Kontaktelemente 13.1a bis 13.1c und 13.1 e bis 13.1g, die die Verschaltung der High-Side-Schalter 1 und Low-Side-Schalter 2 mittels der Verbindungsleitungen 15 zu Halbbrücken 101 realisieren. Jede Verbindungsleitung 15 verläuft zwischen dem High-Side-Schalter 1 und dem Low-Side-Schalter 2 einer Halbbrücke 101 und weist einen Halbbrückenabgriff 16 der Halbbrücke 101 auf.
-
Die Halbbrückenabgriffe 16 sind versetzt zueinander angeordnet. Dadurch kann beispielsweise der Anschluss eines feldkompensierten Dreiphasenkabels an die Halbbrückenabgriffe 16 erleichtert werden. Ein die Halbbrückenabgriffe 16 umgebendes Magnetfeld kann beispielsweise zur induktiven Phasenstrommessung eines an die Halbbrückenabgriffe 16 angeschlossenen dreiphasigen Verbrauchers genutzt werden.
-
Jedes Kontaktelement 13.1 a verbindet die negative Hochpotentialschiene 12 und damit den Minuspol mit der Source eines Low-Side-Schalters. Jedes Kontaktelement 13.1c verbindet eine Verbindungsleitung 15 mit dem Drain eines Low-Side-Schalters 1. Jedes Kontaktelement 13.1e verbindet eine Verbindungsleitung 15 mit dem Source eines High-Side-Schalters 1 und damit mit dem zugehörigen High-Side-Kühlblock 3. Jedes Kontaktelement 13.1g verbindet die positive Hochpotentialschiene 11 und damit den Pluspol mit dem Drain eines High-Side-Schalters 1. Jedes Kontaktelement 13.1b kontaktiert das Gate eines Low-Side-Schalters 2. Jedes Kontaktelement 13.1f kontaktiert das Gate eines High-Side-Schalters 1.
-
Die Verbindungsleitungen 15, die positive Hochpotentialschiene 11 und die negative Hochpotentialschiene 12 schließen jeweils plan mit den ihnen zugeordneten High-Side-Schaltern 1 und/oder Low-Side-Schaltern 2 ab, wodurch eine einfache elektrische Kontaktierung und Verbindung mit diesen Schaltern ermöglicht wird. Die Verbindungsleitungen 15 sind daher flach und breit ausgeführt, was sich auch vorteilhaft auf die Wärmeübertragung an den Verbindungsstellen zu den Schaltern 1, 2 und die Reduktion der Induktivität der Halbbrückenanordnung auswirkt.
-
5 (5) und 6 (6) zeigen eine zweite Lage 13.2 der Leiterplatte 13, die über der ersten Lage 13.1 angeordnet ist. 6 zeigt zudem die Anordnung der Halbbrückenkondensatoren 14 über der zweiten Lage 13.2.
-
Die zweite Lage 13.2 weist für jede Halbbrücke 101 zwei Kompensationsleitungsabschnitte 13.2a und 13.2b auf, die jeweils, beispielsweise durch eine Durchkontaktierung in der Leiterplatte 13, elektrisch an dem einen Ende mit dem Minuspol bzw. mit dem Pluspol und am anderen Ende mit dem Halbbrückenkondensator 14 der Halbbrücke 101 verbunden sind und mit diesem Halbbrückenkondensator 14 eine Kompensationsleitung 17 bilden, die parallel zu der Verbindungsleitung 15, dem High-Side-Schalter 1 und Low-Side-Schalter 2 der Halbbrücke 101 verläuft. Die Kompensationsleitungsabschnitte 13.2a und 13.2b weisen vorzugsweise dieselbe Breite oder dieselbe Breite und Dicke wie die Verbindungsleitungen 15 und die High-Side-Schalter 1 und Low-Side-Schalter 2 auf. Jede Kompensationsleitung 17 stellt einen Rückflusspfad für einen Strom bereit, der über die korrespondierende Verbindungsleitung 15 und dem korrespondierenden High-Side-Schalter 1 und Low-Side-Schalter 2 fließt. Der in der Kompensationsleitung 17 fließende Strom ist dem in der Verbindungsleitung 15, dem High-Side-Schalter 1 und Low-Side-Schalter 2 fließenden Strom entgegengesetzt und erzeugt daher ein Magnetfeld, das das von dem in der Verbindungsleitung 15, dem High-Side-Schalter 1 und Low-Side-Schalter 2 fließenden Strom erzeugte Magnetfeld zumindest teilweise kompensiert. Außerdem werden hochfrequente Anteile zu diesen Strömen korrespondierender elektrischer Felder räumlich auf einen Bereich um die Kompensationsleitungen 17 und Verbindungsleitungen 15, den High-Side-Schaltern 1 und Low-Side-Schaltern 2 begrenzt.
-
7 (7) zeigt eine dritte Lage 13.3 der Leiterplatte 13, die über der zweiten Lage 13.2 angeordnet ist. Die dritte Lage 13.3 weist eine elektrisch leitfähige erste Spannungsversorgungsfläche 13.3e auf, die elektrisch mit der positiven Hochpotentialschiene 11 und damit mit dem Pluspol verbunden ist. Beispielsweise ist die Hochpotentialschiene 11 etwa alle 2 cm elektrisch mit der ersten Spannungsversorgungsfläche 13.3e verbunden.
-
Die erste Spannungsversorgungsfläche 13.3e weist für jede Halbbrücke 101 drei Ausnehmungen 13.3f, 13.3g, 13.3h auf. Durch die erste Ausnehmung 13.3f ist ein Paar von Steueranschlüssen 13.3a für den Low-Side-Schalter 2 der Halbbrücke 101, beispielsweise für dessen Gate und Source, geführt. Durch die zweite Ausnehmung 13.3g ist ein Paar von Steueranschlüssen 13.3b für den High-Side-Schalter 1 der Halbbrücke 101, beispielsweise für dessen Gate und Source, geführt. Durch die dritte Ausnehmung 13.3h sind ein mit dem Minuspol verbundener Kontakt 13.3c und ein mit dem Pluspol verbundener Kontakt 13.3d geführt, die jeweils mit einer Elektrode des Halbbrückenkondensators 14 der Halbbrücke 101 verbunden sind.
-
8 (8) zeigt eine vierte Lage 13.4 der Leiterplatte 13, die über der dritten Lage 13.3 angeordnet ist. Die vierte Lage 13.4 weist eine elektrisch leitfähige zweite Spannungsversorgungsfläche 13.4e (Massefläche) auf, die elektrisch mit der negativen Hochpotentialschiene 12 und damit mit dem Minuspol verbunden ist. Beispielsweise ist die negative Hochpotentialschiene 12 etwa alle 2 cm elektrisch mit der zweiten Spannungsversorgungsfläche 13.4e verbunden.
-
Die zweite Spannungsversorgungsfläche 13.4e weist für jede Halbbrücke 101 drei Ausnehmungen 13.4f, 13.4g, 13.4h auf, die zu den Ausnehmungen 13.3f, 13.3g, 13.3h der ersten Spannungsversorgungsfläche 13.3e korrespondieren.
-
Die Nummerierung der Lagen 13.1 bis 13.5 impliziert nicht notwendig eine diese Nummerierung entsprechende physikalische Anordnung der Lagen 13.1 bis 13.5. Die Leiterplatte 13 kann ferner weitere, hier nicht genannte Lagen aufweisen, beispielsweise eine sechste Lage, die zwischen der vierten Lage 13.4 und der fünften Lage 13.5 angeordnet ist.
-
9 (9) zeigt ein Dielektrikum 18, mit dem das (in 9 nicht dargestellte) Gehäuse 5 optional teilweise befüllt ist. Das Dielektrikum 18 füllt die Zwischenräume zwischen den Kühlblöcken 3, 4 sowie zwischen den High-Side-Kühlblöcken 3 und dem Zwischenkreisgehäuse 6 und der ihm gegenüberliegenden Wand des Gehäuses 5 und der Leiterplatte 13 aus. Beispielsweise weist das Dielektrikum 18 eine relative Permittivität von wenigstens 3 auf. Durch das Dielektrikum 18 kann eine Durchschlagfestigkeit des Innenraumes des Gehäuses 5 erhöht werden, wodurch die Abstände von Bauteilen mit hohen Potentialdifferenzen im Innenraum des Gehäuses 5 reduziert werden können, wodurch wiederum die von den Potentialdifferenzen erzeugten elektrischen Felder räumlich begrenzt werden. Außerdem führt die erhöhte Permittivität des Dielektrikums von mindestens 3 gegenüber Luft von 1 zu einer Feldkonzentration des elektrischen Feldes im Dielektrikum 18 und damit zu einer Feldreduktion außerhalb. Ferner kann das Dielektrikum 18 beispielsweise ein Thermoplast oder ein Duroplast oder ein Verguss sein. Dadurch kann insbesondere eine einfache mechanische Fixierung von Bauteilen wie den Kühlblöcken 3, 4 im Innenraum des Gehäuses 5 erreicht werden.
-
10 (10) zeigt das mit dem Gehäusedeckel 5.1 verschlossene Gehäuse 5 der Baugruppe 100. Durch das geschlossene Gehäuse 5 und die Verbindung des Gehäuses 5 mit dem Minuspol wird ein die High-Side-Schalter 1, die Low-Side-Schalter 2 und den Gleichspannungszwischenkreis 6.1 umgebendes, durch die Potentialdifferenzen erzeugtes elektrisches Feld räumlich im Wesentlichen auf das Innere des Gehäuses 5 begrenzt und von dem elektrischen Feld verursachte elektrische Ströme werden auf kurzen Wegen wieder ihren Quellen zugeführt.
-
Die 11 bis 13 zeigen schematisch verschiedene Ausführungsbeispiele des Kühlsystems einer erfindungsgemäßen Baugruppe 100. Dargestellt sind Kühlkanäle 19, die jeweils in einem High-Side-Kühlblock 3 verlaufen, Kühlkanäle 20, die in dem Low-Side-Kühlblock 4 verlaufen, und Kühlmittelleitungen 9, die Kühlkanäle 19, 20 verbinden. Die Pfeile zeigen die Strömung des Kühlmittels in dem Kühlsystem.
-
11 (11) zeigt ein Ausführungsbeispiel des Kühlsystems, bei dem die Kühlkanäle 19, 20 durch die Kühlmittelleitungen 9 seriell miteinander verbunden sind, so dass der Kühlmittelstrom ohne Verzweigungen durch die Kühlkanäle 19, 20 geleitet wird. Dieses Ausführungsbeispiel des Kühlsystems ist beispielsweise bei der in den 1 bis 10 dargestellten Baugruppe 100 realisiert.
-
12 (12) zeigt ein Ausführungsbeispiel des Kühlsystems, bei dem die Kühlkanäle 19, 20 durch die Kühlmittelleitungen 9 teilparallel miteinander verbunden sind. Hierbei wird der Kühlmittelstrom durch zwei Verzweigungen auf die Kühlkanäle 19 der High-Side-Kühlblöcke 3 aufgeteilt.
-
13 (13) zeigt ein Ausführungsbeispiel des Kühlsystems, bei dem die Kühlkanäle 19, 20 durch die Kühlmittelleitungen 9 parallel miteinander verbunden sind. Hierbei wird der Kühlmittelstrom durch eine Verzweigung auf die Kühlkanäle 19 der High-Side-Kühlblöcke 3 aufgeteilt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- High-Side-Schalter
- 2
- Low-Side-Schalter
- 3
- High-Side-Kühlblock
- 4
- Low-Side-Kühlblock
- 5
- Gehäuse
- 5.1
- Gehäusedeckel
- 6
- Zwischenkreisgehäuse
- 6.1
- Gleichspannungszwischenkreis
- 7, 8
- Kühlmittelanschluss
- 9
- Kühlmittelleitung
- 10
- Grundkörper
- 10.1
- Verbindungsmetallschicht
- 11
- Hochpotentialschiene
- 12
- Niederpotentialschiene
- 13
- Leiterplatte
- 13.1 bis 13.5
- Lage
- 13.1a bis 13.1c, 13.1e bis 13.1g
- Kontaktelement
- 13.2a, 13.2b
- Kompensationsleitungsabschnitt
- 13.3a, 13.3b
- Steueranschluss
- 13.3c, 13.3d
- Kontakt
- 13.3e, 13.4e
- Spannungsversorgungsfläche
- 13.3f bis 13.3h, 13.4f bis 13.4h
- Ausnehmung
- 14
- Halbbrückenkondensator
- 15
- Verbindungsleitung
- 16
- Halbbrückenabgriff
- 17
- Kompensationsleitung
- 18
- Dielektrikum
- 19, 20
- Kühlkanal
- 100
- elektronische Baugruppe
- 101
- Halbbrücke
- d, e
- Abstand
