DE102022102966A1 - Halbleiter-Modul mit integriertem Stromsensor - Google Patents

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ein in Kunststoff eingebettetes Halbleiter-Leistungsmodul mit integrierter Strommesseinheit, beispielsweise für einen Pulswechselrichter eines Elektrofahrzeugs, eine das Modul umfassende Anordnung und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Description

  • Gegenstand der Erfindung ist ein in Kunststoff eingebettetes Halbleiter-Leistungsmodul mit integrierter Strommesseinheit, beispielsweise für einen Pulswechselrichter eines Elektrofahrzeugs, eine das Modul umfassende Anordnung und ein Verfahren zu deren Herstellung.
  • Ein Pulswechselrichter besteht aus einem Kondensator, Ansteuerplatine, Powermodul und Strommesseinheit. Die Strommesseinheit wird dabei entweder als externes Bauteil oder als in den Rahmen der Leistungsbox integrierte Einheit mit dem Leistungsmodul verschaltet. Die Einbindung von Stromsensoren zur Messung der Ströme führt zu einem hohen Platzbedarf und zusätzlichen Kosten und zusätzlichem Gewicht.
  • Die CN 1 13 295 913 A offenbart eine Leistungsmodulstruktur mit einem integrierten Stromsensor. Der Aufbau umfasst einen Strahler, eine Kunststoffhülle, ein kupferkaschiertes Keramiksubstrat, einen Wafer, eine Deckplatte und eine Wechselstrom-Sammelschiene. Das kupferkaschierte Keramiksubstrat ist auf der Oberfläche des Strahlers angeordnet, der Wafer ist auf dem kupferkaschierten Keramiksubstrat angeordnet, um eine Steuerschaltung zu bilden, und die Kunststoffhülle ist auf dem Strahler angeordnet und umhüllt das kupferkaschierte Keramiksubstrat. Die Wechselstrom-Sammelschiene ist mit dem kupferkaschierten Keramiksubstrat verbunden und ragt aus der Kunststoffhülle heraus; und die Deckplatte ist auf der Oberseite der Kunststoffhülle angeordnet. Die Struktur umfasst ferner einen Strommess-Chip, eine Strommess-Platte und eine Abschirmungsabdeckung aus Metall. Der Strommess-Chip ist auf der Strommessplatte aufgeschweißt, und die Strommess-Platte ist auf der Kunststoffschale angeordnet und liegt der aus der Kunststoffhülle herausstehenden Wechselstrom-Sammelschiene direkt gegenüber. Die Abschirmungsabdeckung aus Metall umhüllt die Wechselstrom-Sammelschiene und die Strommess-Platte, und der Strommess-Chip erkennt ein Stromsignal der Wechselstrom-Sammelschiene.
  • Aus der EP 3 748 369 A1 geht eine integrierte Strommessvorrichtung zum Messen eines Stroms durch integrale Verwendung eines Hall-Sensors und eines Shunt-Widerstands hervor. Die integrierte Strommessvorrichtung umfasst eine gedruckte Leiterplatte, einen Shunt-Widerstand mit einem Widerstandselement mit einem voreingestellten Widerstandswert und Anschlüsse, die sich aus beiden Seiten des Widerstandselements erstrecken. Der Shunt-Widerstand ist an der Unterseite der Leiterplatte angebracht und ein Hall-Sensor ist an der Oberseite der gedruckten Leiterplatte angebracht und dem Shunt-Widerstand zugewandt, wobei die Leiterplatte zwischen dem Hall-Sensor und dem Shunt-Widerstand angeordnet ist.
  • Die DE 10 2018 109 803 A1 betrifft eine Leistungselektronikeinheit für einen elektrischen Antrieb, mit einem elektrisch leitfähigen Trägerelement und einem auf dem Trägerelement angeordneten Leistungshalbleitermodul, das einen Gleichstrom in einen dreiphasigen Wechselstrom umwandelt. Ein zum Bestimmen des Wechselstroms eingesetzter Stromsensor ist so integriert, dass er mit dem Trägerelement und dem Leistungshalbleitermodul ein Hauptmodul ausbildet.
  • Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, ein Halbleiter-Leistungsmodul zur Verfügung zu stellen, das einen geringeren Platzbedarf und ein geringeres Gewicht aufweist als konventionelle Halbleiter-Leistungsmodule mit externer oder in den Rahmen der Leistungsbox integrierter Strommesseinheit.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Vorrichtungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und des Anspruchs 7, sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Abbildungen.
  • Erfindungsgemäß erfolgt die Integration einer Strommesseinheit bestehend aus Stromsensor-IC, Stromsensor Platine (PCB) und einem U-Shield, in das mit Kunststoff ummantelte (gemoldete) Halbleiter-Leistungsmodul. Das Modul kann mittels Pressfitverbindung einfach an eine Leiterplatte (PCB) angebracht werden und weist ein eingebettetes Schutzblech (U-Shield) zur Erhöhung der Störfestigkeit auf.
  • Gegenstand der Erfindung ist ein von einer Kunststoffmasse ummanteltes Halbleiter-Leistungsmodul für einen Pulswechselrichter eines Elektrofahrzeugs. Die Kunststoffummantelung kann beispielsweise durch Eingießen der elektronischen Komponenten des Moduls mit einem Gießharz in einer entsprechenden Form (Mold) erzeugt werden.
  • Eine Sammelschiene (Busbar), eine auf einer Leiterplatte angeordnete integrierte Schaltung zur Strommessung (Stromsensor-IC), und ein die Sammelschiene und die Leiterplatte mit dem Stromsensor-IC umgebendes U-förmiges Abschirmblech sind ebenfalls in die Kunststoffmasse des Halbleiter-Leistungsmoduls eingebettet und von dieser umgeben, wobei ein Ende der Sammelschiene und elektrische Anschlusskontakte der Leiterplatte aus der Kunststoffmasse hervorragen. In einer Ausführungsform ragt das Ende der Sammelschiene aus einer Stirnfläche oder Seitenfläche des Halbleiter-Leistungsmoduls hervor. In einer anderen Ausführungsform ragt das Ende der Sammelschiene aus der Oberseite oder der Unterseite des Halbleiter-Leistungsmoduls hervor. In einer Ausführungsform ragen die elektrischen Anschlusskontakte aus der Oberseite des Halbleiter-Leistungsmoduls hervor. In einer anderen Ausführungsform ragen die elektrischen Anschlusskontakte aus der Unterseite des Halbleiter-Leistungsmoduls hervor. In wieder einer anderen Ausführungsform ragen die elektrischen Anschlusskontakte aus einer Stirnfläche oder Seitenfläche des Halbleiter-Leistungsmoduls hervor.
  • In einer Ausführungsform weist das Halbleiter-Leistungsmodul Anschlussfahnen zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiter-Leistungsmoduls auf, die aus der Kunststoffmasse hervorragen. In einer Ausführungsform ragen die Anschlussfahnen aus einer Stirnfläche oder einer Seitenfläche des Halbleiter-Leistungsmoduls hervor. In einer weiteren Ausführungsform sind die Anschlussfahnen nach oben gebogen und ihre Enden weisen in Richtung der Oberseite des Halbleiter-Leistungsmoduls. In einer anderen Ausführungsform ragen die Anschlussfahnen aus der Oberseite des Halbleiter-Leistungsmoduls hervor. In wieder einer anderen Ausführungsform ragen die Anschlussfahnen aus der Unterseite des Halbleiter-Leistungsmoduls hervor.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch eine Anordnung aus einem erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsmodul und einer Ansteuerplatine für das Halbleiter-Leistungsmodul. In der Anordnung ist die integrierte Schaltung zur Strommessung über die elektrischen Anschlusskontakte mit der Ansteuerplatine elektrisch leitend verbunden.
  • In einer Ausführungsform der Anordnung ist das Halbleiter-Leistungsmodul auch über die Anschlussfahnen zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiter-Leistungsmoduls mit der Ansteuerplatine elektrisch leitend verbunden.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Anordnung. Dazu wird das Halbleiter-Leistungsmodul auf die Ansteuerplatine aufgesteckt und die elektrischen Anschlusskontakte und gegebenenfalls die Anschlussfahnen zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiter-Leistungsmoduls werden durch Presspassung in korrespondierende Öffnungen der Ansteuerplatine fixiert.
  • Zu den Vorteilen der erfindungsgemäßen Lösung zählen eine Reduzierung des für den Inverter benötigten Bauraums und eine kostengünstigere Dimensionierung der Strommesseinheit. Halbleiter und Strommesseinheit sind in einem einzigen Bauteil integriert, es ist kein zusätzlicher Stecker erforderlich und es sind keine zusätzlichen Schirmelemente notwendig. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:
    • 1 eine perspektivische Darstellung eines Teils einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls;
    • 2 eine Schnittdarstellung des in 1 dargestellten Leistungsmoduls und einer Ansteuerplatine.
  • 1 zeigt schematisch eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 10. In einen Kunststoffkörper 17 (Ummantelung - Mold) des Leistungsmoduls 10 eingebettet sind eine Sammelschiene 11, eine Leiterplatte 12 (PCB), die eine integrierte Schaltung zur Strommessung 13 (Mess-IC) trägt, sowie elektrische Kontakte 14 zum Anschluss an eine Ansteuerplatine 20. Um die Sammelschiene 11 und die Leiterplatte 12 herum ist ein U-förmiges Abschirmblech 15 (U Shield) angeordnet, das ebenfalls in den Kunststoffkörper 17 eingebettet ist, wobei die Enden des U-förmigen Abschirmblechs 15 aus der oberen Fläche des Kunststoffkörpers 17 herausragen. Ein Ende der Sammelschiene 11 ragt an einer Stirnfläche des Kunststoffkörpers 17 aus diesem heraus, ebenso elektrische Anschlussfahnen 16 des Leistungsmoduls 10. Die Enden der elektrischen Kontakte 14 ragen ebenfalls aus der oberen Fläche des Kunststoffkörpers 17 heraus.
  • 2 zeigt schematisch einen Teil eines Längsschnitts des in 1 dargestellten Leistungsmoduls 10 und einer Ansteuerplatine 20 für das Leistungsmodul 10. Die in den Kunststoffkörper 17 des Leistungsmoduls 10 eingebettete integrierte Schaltung zur Strommessung 13 ist über die Leiterplatte 12 und die elektrischen Anschlusskontakte 14 mit der Ansteuerplatine 20 elektrisch leitend verbunden. Das U-förmige Abschirmblech 15 schirmt die integrierte Schaltung zur Strommessung 13, die Leiterplatte 12 und die Sammelschiene 11 gegen Störfelder ab und erhöht so die Störfestigkeit des Leistungsmoduls 10. Das Leistungsmodul 10 kann einfach auf die Ansteuerplatine 20 aufgesteckt werden (Presspassung), es sind keine zusätzlichen Stecker erforderlich.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Leistungsmodul
    11
    Sammelschiene (Busbar)
    12
    Träger (Leiterplatte)
    13
    integrierte Schaltung zur Strommessung (Mess-IC)
    14
    elektrische Kontakte zur Ansteuerplatine
    15
    U-förmiges Abschirmblech (U-Shield)
    16
    elektrische Anschlussfahnen
    17
    Kunststoffmasse (Mold)
    20
    Ansteuerplatine
  • 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
    • CN 113295913 A [0003]
    • EP 3748369 A1 [0004]
    • DE 102018109803 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Von einer Kunststoffmasse (17) ummanteltes Halbleiter-Leistungsmodul (10) für einen Pulswechselrichter eines Elektrofahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sammelschiene (11), eine auf einer Leiterplatte (12) angeordnete integrierte Schaltung zur Strommessung (13), und ein die Sammelschiene (11) und die Leiterplatte (12) umgebendes U-förmiges Abschirmblech (15) in die Kunststoffmasse (17) des Halbleiter-Leistungsmoduls (10) eingebettet und von dieser umgeben sind, wobei ein Ende der Sammelschiene (11) und elektrische Anschlusskontakte (14) der Leiterplatte (12) aus der Kunststoffmasse (17) herausragen.
  2. Halbleiter-Leistungsmodul (10) nach Anspruch 1, worin Anschlussfahnen (16) zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiter-Leistungsmoduls (10) aus der Kunststoffmasse (17) herausragen.
  3. Halbleiter-Leistungsmodul (10) nach Anspruch 1 oder 2, worin das Ende der Sammelschiene (11) aus einer Stirnfläche des Halbleiter-Leistungsmoduls (10) hervorragt.
  4. Halbleiter-Leistungsmodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die elektrischen Anschlusskontakte (14) aus der Oberseite des Halbleiter-Leistungsmoduls (10) hervorragen.
  5. Halbleiter-Leistungsmodul (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, worin die Anschlussfahnen (16) zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiter-Leistungsmoduls (10) aus einer Stirnfläche des Halbleiter-Leistungsmoduls (10) hervorragen.
  6. Halbleiter-Leistungsmodul (10) nach Anspruch 5, worin die Anschlussfahnen (16) nach oben gebogen sind und ihre Enden in Richtung der Oberseite des Halbleiter-Leistungsmoduls (10) weisen.
  7. Anordnung aus einem Halbleiter-Leistungsmodul (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche und einer Ansteuerplatine (20) für das Halbleiter-Leistungsmodul (10), worin die integrierte Schaltung zur Strommessung (13) über die elektrischen Anschlusskontakte (14) mit der Ansteuerplatine (20) elektrisch leitend verbunden ist.
  8. Anordnung nach Anspruch 7, worin das Halbleiter-Leistungsmodul (10) über die Anschlussfahnen (16) zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiter-Leistungsmoduls (10) mit der Ansteuerplatine (20) elektrisch leitend verbunden ist.
  9. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, bei dem das Halbleiter-Leistungsmodul (10) auf die Ansteuerplatine (20) aufgesteckt wird und die elektrischen Anschlusskontakte (14) durch Presspassung in korrespondierenden Öffnungen der Ansteuerplatine (20) fixiert werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Anschlussfahnen (16) zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiter-Leistungsmoduls (10) durch Presspassung in korrespondierenden Öffnungen der Ansteuerplatine (20) fixiert werden.
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