DE102022201326A1 - Leistungsmodul für einen Stromrichter mit optimierten Stromschienen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul (10A-C) für einen Stromrichter (100A-B) zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug, umfassend mehrere Halbleiterschaltelemente zum Erzeugen eines Ausgangsstroms basierend auf einem von einer Spannungsquelle bereitgestellten Eingangsstrom mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente, mehrere Leistungsanschlüsse (14, 14a-b, 16) zum Einspeisen des Eingangsstroms in die Halbleiterschaltelemente, eine Stromschienenanordnung, die einen Zwischenkreiskondensator (12) mit den Leistungsanschlüssen elektrisch verbindet, wobei die Stromschienenanordnung eine pluspolige Stromschiene (15) und eine minuspolige Stromschiene (17) umfasst, die einander zumindest abschnittsweise überlappen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul für einen Stromrichter, insbesondere für einen Wechselrichter, zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, einen entsprechenden Stromrichter, insbesondere einen Wechselrichter, einen entsprechenden elektrischen Achsantrieb mit einem solchen Stromrichter sowie ein entsprechendes Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb.
  • Im Stand der Technik sind reine Elektrofahrzeuge sowie Hybridfahrzeuge bekannt, welche ausschließlich bzw. unterstützend von einer oder mehreren elektrischen Maschinen als Antriebsaggregate angetrieben werden. Um die elektrischen Maschinen solcher Elektrofahrzeuge bzw. Hybridfahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen, umfassen die Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge elektrische Energiespeicher, insbesondere wiederaufladbare elektrische Batterien. Diese Batterien sind dabei als Gleichspannungsquellen ausgebildet, die elektrischen Maschinen benötigen in der Regel jedoch eine Wechselspannung. Daher wird zwischen einer Batterie und einer elektrischen Maschine (E-Maschine) eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs üblicherweise eine Leistungselektronik mit einem sog. Wechselrichter geschaltet.
  • Derartige Wechselrichter umfassen üblicherweise Halbleiterschaltelemente, die typischerweise aus Transistoren, etwa MOSFETs oder IGBTs, gebildet sind. Dabei ist es bekannt, die Halbleiterschaltelemente als sogenannte Halbbrücken auszugestalten, die über eine Highside-Einrichtung und eine Lowside-Einrichtung verfügen. Diese Highside- bzw. Lowside-Einrichtung umfasst ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente, die im Betrieb des Wechselrichters gezielt gesteuert werden, um aus einem eingangsseitig der Halbbrücken eingespeisten DC-Strom mehrere voneinander zeitlich versetzte Phasenströme eines AC-Stroms zu erzeugen, wobei die Phasenströme jeweils für sich zeitlich veränderlich sind und in der Regel einen sinusförmigen Verlauf annehmen.
  • Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Wechselrichtern besteht das Problem, dass diese Wechselrichter bauartbedingt eine hohe Streuinduktivität aufweisen. Die Streuinduktivität führt bei ständigem Ein- und Ausschalten der Halbleiterschaltelemente auf zu Spannungsfluktuationen bzw. -übersprüngen, die die Funktionalität der Halbleiterschaltelemente und somit auch des gesamten Strom- bzw. Wechselrichters beeinträchtigen können.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Leistungsmodul für einen Stromrichter, insbesondere einen Wechselrichter, bereitzustellen, um die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise zu beheben.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Leistungsmodul, den Stromrichter, den elektrischen Achsantrieb sowie das Fahrzeug gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
  • Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul für einen Stromrichter zum Betreiben eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug. Der Stromrichter ist vorzugsweise ein DC/AC-Wechselrichter zum Umwandeln einer DC-Spannung in eine AC-Spannung. Alternativ kann der Stromrichter als DC/DC-Gleichrichter zum Umwandeln einer DC-Eingangsspannung in eine von dieser verschiedene DC-Ausgangsspannung ausgebildet sein. Das Leistungsmodul umfasst mehrere Halbleiterschaltelemente zum Erzeugen eines Ausgangsstroms basierend auf einem von einer Spannungsquelle bereitgestellten Eingangsstrom mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente. Im Fall eines Wechselrichters handelt es sich beim Eingangsstrom um einen von einer DC-Spannungsquelle bereitgestellten DC-Strom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen AC-Strom mit mehreren Phasenströmen handelt. Im Fall eines Gleichrichters handelt es sich beim Eingangsstrom um einen von einer DC-Spannungsquelle bereitgestellten DC-Eingangsstrom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen vom DC-Eingangsstrom verschiedenen DC-Ausgangsstrom handelt, der vorzugsweise zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie dieser zugeführt wird.
  • Die Halbleiterschaltelemente sind vorzugsweise Transistoren wie MOSFETs und/oder IGBTs, wobei die Halbleiterschaltelemente zusätzlich eine oder mehrere Dioden umfassen können. Das den Halbleiterschaltelementen zugrunde liegende Halbleitermaterial ist vorzugsweise Silizium oder ein sogenannter Halbleiter mit einer großen Bandlücke (Engl.: Wide bandgap semiconductors, WBS), etwa Siliziumcarbid, Galliumnitrid oder Galliumoxid. Die Halbleiterschaltelemente sind vorzugsweise auf einem Substrat angebracht. Das Substrat kann einen mehrschichtigen Aufbau mit einer ersten Metalllage, einer zweiten Metalllage und einer dazwischen befindlichen Isolationslage aufweisen. Die Halbleiterschaltelemente sind in diesem Fall auf einer Oberseite der ersten Metalllage angebunden, wobei an eine Unterseite der zweiten Metalllage ein Kühlkörper angebunden ist.
  • Das Leistungsmodul weist mehrere Leistungsanschlüsse zum Einspeisen des Eingangsstroms in die Halbleiterschaltelemente, vorzugsweise auch zum Abgeben des Ausgangsstroms, auf. Im Fall des Wechselrichters umfassen die Leistungsanschlüsse DC-Leistungsanschlüsse und AC-Leistungsanschlüsse. Die DC-Leistungsanschlüsse umfassen wiederum einen oder mehrere pluspolige und minuspolige DC-Leistungsanschlüsse. Die AC-Leistungsanschlüsse sind einem gemeinsamen AC-Phasenstrom oder jeweils einem von mehreren AC-Phasenströmen des gesamten AC-Stroms zugeordnet. Die Leistungsanschlüsse erstrecken sich vorzugsweise über eine Seitenfläche einer Vergussmasse, mittels derer die Halbleiterschaltelemente vergossen sind, nach außen hinaus. Weiter vorzugsweise erstrecken sich die Leistungsanschlüsse außerhalb der Vergussmasse senkrecht zur Oberseite des Substrats nach oben, sodass sie von oben kontaktierbar sind.
  • Das Leistungsmodul umfasst ferner eine Stromschienenanordnung, die einen Zwischenkreiskondensator, der zwischen der Spannungsquelle und den Halbleiterschaltelementen angeordnet und zu den Halbleiterschaltelementen parallelgeschaltet ist, mit den Leistungsanschlüssen elektrisch verbindet. Die Stromschienenanordnung umfasst eine pluspolige Stromschiene und eine minuspolige Stromschiene, die einander zumindest abschnittsweise überlappen.
  • Auf diese Weise sind parallele Stromflüsse zwischen dem in der pluspoligen Stromschiene fließenden Strom und dem in der minuspoligen Stromschiene fließenden Strom ermöglicht. Diese Maßnahme reduziert die Streuinduktivität des Leistungsmoduls. Durch die verringerte Streuinduktivität wird eine solche funktionale Beeinträchtigung des Leistungsmoduls bzw. des Stromrichters aufgrund von Spannungsübersprüngen beim Schalten daher reduziert. Dadurch, dass sich die Kopplungsstärke zwischen der Streuinduktivität und den Spannungsfluktuationen bzw. übersprüngen proportional zur Schaltgeschwindigkeit verhält, können erfindungsgemäß WBS-Halbleitermaterialien mit besonders schneller Schaltgeschwindigkeit eingesetzt werden, ohne dass hohe Schaltverluste verursacht werden.
  • Vorzugsweise überlappen die pluspolige Stromschiene und die minuspolige Stromschiene zumindest abschnittsweise bezüglich der zur Oberseite des Substrats senkrechten Richtung. Dies bedeutet, dass die pluspolige Stromschiene und die minuspolige Stromschiene in der zur Oberseite des Substrats senkrechten Richtung verlaufen und einen Überlapp entlang dieser Richtung haben.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfassen die Leistungsanschlüsse zwei plus-/minuspolige Leistungsanschlüsse und einen zwischen diesen angeordneten minus-/pluspoligen Leistungsanschluss. Entweder sind zwei pluspolige Leistungsanschlüsse und ein zwischen diesen angeordneter minuspoliger Leistungsanschluss, oder in umgekehrter Weise zwei minuspolige Leistungsanschlüsse und ein zwischen diesen angeordneter pluspoliger Leistungsanschluss bereitgestellt.
  • Im Fall, dass zwei pluspolige Leistungsanschlüsse und ein minuspoliger Leistungsanschluss bereitgestellt sind, ist die pluspolige Stromschiene vorzugsweise T-förmig ausgebildet und umfasst zwei an die beiden pluspoligen Leistungsanschlüsse elektrisch angebundene Seitenflügel und einen dazwischen verbindenden Zwischenabschnitt, wobei die minuspolige Stromschiene einen gegenüber dem Zwischenabschnitt an den minuspoligen Leistungsanschluss elektrisch angebundenen Endabschnitt. Die Seitenflügel verlaufen weiter vorzugsweise im Wesentlichen entlang einer von den pluspoligen Leistungsanschlüssen definierten Geraden, wobei der Zwischenabschnitt in einer dem Zwischenkreiskondensator zugewandten Richtung von den Seitenflügeln seitlich versetzt ist.
  • Im Fall, dass zwei minuspolige Leistungsanschlüsse und ein pluspoliger Leistungsanschluss bereitgestellt sind, ist die minuspolige Stromschiene vorzugsweise T-förmig ausgebildet und umfasst zwei an die beiden minuspoligen Leistungsanschlüsse elektrisch angebundene Seitenflügel und einen dazwischen verbindenden Zwischenabschnitt, wobei die pluspolige Stromschiene einen gegenüber dem Zwischenabschnitt an den pluspoligen Leistungsanschluss elektrisch angebundenen Endabschnitt. Die Seitenflügel verlaufen weiter vorzugsweise im Wesentlichen entlang einer von den minuspoligen Leistungsanschlüssen definierten Geraden, wobei der Zwischenabschnitt in einer dem Zwischenkreiskondensator zugewandten Richtung von den Seitenflügeln seitlich versetzt ist.
  • Auf diese Weise ist eine bezüglich einer mittleren Achse des Leistungsmoduls symmetrische Stromverteilung ermöglicht. Außerdem sind aufgrund der T-Form der plus- bzw. minuspoligen Stromschiene parallele Stromflüsse in der pluspoligen Stromschiene und der minuspoligen Stromschiene bereitgestellt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfassen die Leistungsanschlüsse einen pluspoligen Leistungsanschluss und einen minuspoligen Leistungsanschluss. Die pluspolige Stromschiene oder die minuspolige Stromschiene ist vorzugsweise S-förmig ausgebildet und umfasst einen an den pluspoligen Leistungsanschluss bzw. den minuspoligen Leistungsanschluss elektrisch angebundenen ersten Abschnitt und einen in einer dem Zwischenkreiskondensator zugewandten Richtung vom ersten Abschnitt seitlich versetzten zweiten Abschnitt. Wenn der erste Abschnitt der pluspoligen Stromschiene an den pluspoligen Leistungsanschluss elektrisch angebunden ist, ist ein Endabschnitt der minuspoligen Stromschiene an den minuspoligen Leistungsanschluss elektrisch angebunden und vom zweiten Abschnitt der pluspoligen Stromschiene seitlich versetzt. Wenn der erste Abschnitt der minuspoligen Stromschiene an den minuspoligen Leistungsanschluss elektrisch angebunden ist, ist ein Endabschnitt der pluspoligen Stromschiene an den pluspoligen Leistungsanschluss elektrisch angebunden und vom zweiten Abschnitt der minuspoligen Stromschiene seitlich versetzt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Isolierfolie zur Potentialtrennung der pluspoligen Stromschiene von der minuspoligen Stromschiene zwischen beiden Stromscheinen angeordnet. Die Isolierfolie kann sich der Form des Zwischenraums bzw. des Zwischenspaltes zwischen der pluspoligen Stromschiene und der minuspoligen Stromschiene entsprechend erstrecken und ausgebildet sein. Die Verwendung der Isolierfolie sichert eine Potentialtrennung zwischen beiden Stromschienen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Leistungsmodul als Halbrückenmodul mit einer Modulhighside und einer Modullowside ausgebildet, wobei die Modulhighside und die Modullowside jeweils ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente umfassen. In diesem Fall kann das Halbbrückenmodul selbst als eine vollständige Halbbrücke fungieren und so eine Phaseneinheit des Stromrichters bereitstellen. Alternativ können mehrere Halbbrückenmodule miteinander kombiniert werden, um eine hinsichtlich der maximal tragbaren Strommenge erweiterte Halbbrücke und somit eine erweiterte Phaseneinheit zu bilden. Die Modulhighsides sind zueinander parallelgeschaltet, um eine Highside der kombinierten Halbbrücke zu bilden. Gleichzeitig sind die Modullowsides zueinander parallelgeschaltet, um eine Lowside der kombinierten Halbbrücke zu bilden. In einem Stromrichter, insbesondere einem Wechselrichter, können mehrere, beispielsweise drei, solche kombinierten Halbbrücken verwendet werden, wobei jede kombinierte Halbbrücke eine Phaseneinheit bildet, an deren Stromausgang einer von mehreren Phasenströmen des AC-Stroms erzeugt wird.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin einen Stromrichter zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs, insbesondere einer im Letzteren verbauten elektrischen Maschine mit einem solchen Leistungsmodul, einen entsprechenden elektrischen Achsantrieb sowie ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb. Der Stromrichter kann als Wechselrichter oder Gleichrichter ausgebildet sein und mehrere (beispielsweise drei) Phaseneinheiten aufweisen. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul beschriebenen Vorteile auch für den erfindungsgemäßen Stromrichter, den erfindungsgemäßen elektrischen Achsantrieb und das erfindungsgemäße Fahrzeug.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Wechselrichters gemäß einer Ausführungsform mit drei Phaseneinheiten in einer Perspektivansicht,
    • 2 eine schematische Darstellung des Wechselrichters aus 1, wobei eine DC-Stromschienenanordnung umfassend eine pluspolige DC-Stromschiene und eine minuspolige Stromschiene näher gezeigt ist,
    • 3 eine schematische Darstellung des Wechselrichters aus 1, wobei eine pluspolige DC-Stromschiene der DC-Stromschienenanordnung näher gezeigt ist,
    • 4 eine schematische Darstellung des Wechselrichters aus 1, wobei eine minuspolige DC-Stromschiene der DC-Stromschienenanordnung näher gezeigt ist,
    • 5 eine schematische Darstellung des Wechselrichters aus 1 in einer Schnittansicht durch eine mittlere Ebene senkrecht zur minuspoligen DC-Stromschiene,
    • 6 eine schematische Darstellung eines Wechselrichters gemäß einer weiteren Ausführungsform mit drei Phaseneinheiten in einer Perspektivansicht,
    • 7 eine schematische Darstellung des Wechselrichters aus 6, wobei eine DC-Stromschienenanordnung umfassend eine pluspolige DC-Stromschiene und eine minuspolige Stromschiene näher gezeigt ist,
    • 8 eine schematische Darstellung des Wechselrichters aus 6, wobei eine minuspolige DC-Stromschiene der DC-Stromschienenanordnung näher gezeigt ist,
    • 9 eine schematische Darstellung des Wechselrichters aus 6, wobei eine pluspolige DC-Stromschiene der DC-Stromschienenanordnung näher gezeigt ist,
    • 10 eine schematische Darstellung des Wechselrichters aus 6 in einer Schnittansicht durch eine mittlere Ebene senkrecht zur minuspoligen DC-Stromschiene.
  • Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
  • 1-5 zeigen einen beispielhaft als Wechselrichter ausgebildeten Stromrichter 100A gemäß einer Ausführungsform jeweils in einer schematischen Darstellung. Der Wechselrichter 100A dient dazu, einen elektrischen Achsantrieb (hier nicht gezeigt) für ein Elektrofahrzeug und/oder Hybridfahrzeug zu bestromen. Der Wechselrichter 100A umfasst mehrere (hier beispielhaft drei) Phaseneinheiten, die jeweils ein beispielhaft als Halbbrückenmodul ausgebildetes Leistungsmodul 10A-C aufweisen. Jedes Halbbrückenmodul 10A-C umfasst eine Modulhighside und eine Modullowside (hier nicht gezeigt), die jeweils ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente (hier nicht gezeigt) aufweisen. Somit stellt jedes Halbbrückenmodul 10A-C eine vollständige Halbbrückenschaltung bereit. Alternativ können pro Phaseneinheit mehrere Halbbrückenmodule 10A-C vorgesehen sein. In diesem Fall können alle Modulhighsides der Halbbrückenmodule 10A-C miteinander in Parallelschaltung stehen und eine Highside der gesamten Phaseneinheit bilden. Gleichzeitig können alle Modullowsides der Halbbrückenmodule 10A-C miteinander in Parallelschaltung stehen und eine Lowside der gesamten Phaseneinheit bilden.
  • Die Halbleiterschaltelemente in den jeweiligen Halbbrückenmodulen 10A-C werden gezielt geschaltet, um einen von einer DC-Spannungsquelle (hier nicht gezeigt) bereitgestellten DC-Strom in einen AC-Strom mit mehreren Phasenströmen umzuwandeln. Dazu sind in jedem Halbbrückenmodul 10A-C mehrere Leistungsanschlüsse 13, 14ab, 16 sowie mehrere Signalpins 19 enthalten. Die Leistungsanschlüsse 13, 14a-b, 16 umfassen zwei pluspolige DC-Leistungsanschlüsse 14a-b und einen minuspoligen DC-Leistungsanschluss 16, um den DC-Strom, der von einem Zwischenkreiskondensator 12 des Wechselrichters 100A zugeführt wird, in das Halbbrückenmodul 10A-C einzuspeisen. Der Zwischenkreiskondensator 12 ist zwischen den Halbbrückenmodulen 10A-C und der DC-Spannungsquelle angeordnet und umfasst ein Kondensnatorgehäuse 122 sowie einen oder mehrere im Kondensatorgehäuse 122 angeordnete Kondensatorwickel 124 (siehe 5), die zu den Halbleiterschaltelementen parallelgeschaltet sind. Die elektrische Verbindung zwischen den jeweiligen Halbbrückenmodul 10A-C und dem Zwischenkreiskondensator 12 wird weiter unten näher beschrieben. Zusätzlich umfassen die Leistungsanschlüsse 13, 14a-b, 16 einen AC-Leistungsanschluss 13 zum Abgeben des zugehörigen AC-Phasenstroms an eine E-Maschine (insbesondere einen Elektromotor) des zu bestromenden elektrischen Achsantriebs. Die Signalpins 19 sind dazu ausgebildet, Steuersignale, die von einer hier nicht gezeigten Steuereinrichtung und/oder Treibereinrichtung bereitgestellt sind, zum Ansteuern der Halbleiterschaltelemente an die Steuerelektroden (z.B. Gate) und/oder Stromelektroden (z.B. Emitter, Kollektor, Source, Drain) zu übertragen.
  • Obwohl hier nicht explizit gezeigt, sind die Halbbrückenmodule 1 0A-C auf einem mehrschichtigen Substrat angebracht. Das Substrat weist vorzugsweise eine erste Metalllage, eine zweite Metalllage und eine dazwischen angeordnete Isolationslage auf. Auf der ersten Metalllage sind die Halbleiterschaltelemente angeordnet. Vorzugsweise sind die Halbleiterschaltelemente in den jeweiligen Halbbrückenmodulen 10A-C mit einem stromisolierenden Material zwecks Schutz vor Umwelteinflüssen verkleidet. Die Verkleidung erfolgt weiter vorzugsweise, wie in 1-2 schematisch gezeigt, mittels Umspritzens der Halbbrückenmodule 10A-C mit einem stromisolierenden Spritzgussmaterial. Die daraus resultierende Vergussmasse 102 weist beispielhaft einen rechteckigen Querschnitt mit einer Oberseite 102 auf.
  • Wie in 1 beispielhaft gezeigt, sind die Halbbrückenmodule 10A-C sowie der Zwischenkreiskondensator 12 auf einem Kühler 20, insbesondere einer Kühlplatte, angeordnet. Hierbei ist der Kühler 20 vorzugsweise unterseitig an die zweite Metalllage des Substrats (nicht gezeigt) angebunden. Mittels des Kühlers 20 kann Wärme, die durch Einprägen hoher DC-Ströme in den verschiedenen Bauteilen entsteht, wirksam abgeführt und so die Gefahr einer Beeinträchtigung dieser Bauteile aufgrund Überhitzung verringert werden.
  • 2 zeigt den Wechselrichter 100A aus 1 in einer weiteren schematischen Perspektivansicht. Eine DC-Stromschienenanordnung umfassend eine pluspolige DC-Stromschiene 15 und eine minuspolige DC-Stromschiene 17 ist dazu vorgesehen, die elektrische und mechanische Verbindung zwischen den jeweiligen Halbbrückenmodul 10A-C und dem Zwischenkreiskondensator 12 herzustellen. Die pluspolige DC-Stromschiene 15 und die minuspolige DC-Stromschiene 17 erstrecken sich vom Kondensatorgehäuse 122 an einer dem Halbbrückenmodul 10A-C zugewandten Seite senkrecht zur Oberseite 104 der Vergussmasse 102 nach oben. Die pluspolige DC-Stromschiene 15 umfasst zwei Seitenflügel 152a-b und einen dazwischen angeordneten Zwischenabschnitt 154. Die Seitenflügel 152a-b sind jeweils an einen der beiden pluspoligen DC-Leistungsanschlüsse 14a-b elektrisch und mechanisch angebunden. Die minuspolige DC-Stromschiene 17 umfasst einen Endabschnitt 172, der an den minuspoligen DC-Leistungsanschluss 16 elektrisch und mechanisch angebunden ist.
  • Die pluspolige DC-Stromschiene 15 ist in einer weiteren Ansicht in 3 schematisch gezeigt, wobei die minuspolige DC-Stromscheine 17 in einer weiteren Ansicht in 4 schematisch gezeigt ist. Dort ist außerdem eine Wärmeleitfolie 22 (bzw. Wärmeleitplättchen) ersichtlich, die zwischen der minuspoligen DC-Stromschiene 17 und einer Oberfläche des Kühlers 20 angeordnet ist. Die Wärmeleitfolie 22 ist aus einem stromisolierenden Material gebildet und dient zur thermischen Kopplung zwischen der DC-Stromschieneanordnung und dem Kühler 20 bei gleichzeitiger Potentialtrennung dazwischen. Auf dem Gebiet der Leistungselektronik ist eine solche Wärmeleitfolie 22 im speziellen Fall auch als Lückenplättchen (Engl.: Gappad) bekannt.
  • Dadurch, dass sich die DC-Leistungsanschlüsse 14a-b, 16 im Wesentlichen entlang einer senkrecht zur Oberseite 104 der Vergussmasse 102 stehenden Ebene erstrecken, verlaufen die Seitenflügel 152a-b und der Endabschnitt 172 entsprechend entlang der gleichen Ebene. Der Zwischenabschnitt 154 der pluspoligen DC-Stromschiene 15 ist in einer dem Zwischenkreiskondensator 12 zugewandten Richtung von den Seitenflügeln 152a-b versetzt.
  • Auf diese Weise ist die pluspolige DC-Stromschiene 15, wie in 2 gezeigt, in der Blickrichtung senkrecht zur Oberseite 104 der Vergussmasse 102 T-förmig ausgebildet. Dies ermöglicht einen Überlapp beider DC-Stromschienen 15, 17 im Bereich des Zwischenabschnittes 154 bzw. des minuspoligen Leistungsanschlusses 16. Die Stromflüsse in den beiden DC-Stromschienen 15, 17 ist in diesem Überlappungsbereich weitergehend parallel. Dies reduziert vorteilhafterweise die Streuinduktivität des Wechselrichters 100A.
  • Eine Isolierfolie 18 ist zwischen den beiden DC-Stromschienen 15, 17 zur Potentialtrennung angeordnet und erstreckt sich der Form des Zwischenraums bzw. Zwischenspaltes zwischen den beiden DC-Stromschienen 15, 17 entsprechend. Die Isolierfolie 18 vergrößert außerdem die Luft- und Kriechstrecken zwischen den beiden DC-Stromschienen 15, 17, wobei zugleich der Abstand zwischen den beiden DC-Stromscheinen 15, 17 reduziert ist oder zumindest gleichbleibt. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Bauform des Wechselrichters 100A.
  • 5 zeigt den Wechselrichter 100A aus 1 in einer schematischen Schnittansicht, wobei die Schnittebene mittig der minuspoligen DC-Stromschiene 17 senkrecht zur Oberseite 104 der Vergussmasse 102 verläuft. Hier ist zu sehen, dass sich die pluspolige DC-Stromschiene 15 und die minuspolige DC-Stromschiene 17 jeweils abschnittsweise parallel zu einer Unterseite 123 des Kondensatorgehäuses 122 erstrecken und dort mit dem Wärmeleitplättchen 22 verbunden sind. Außerdem erstrecken sich die pluspolige DC-Stromschiene 15 und die minuspolige DC-Stromschiene 17 jeweils ins Kondensatorgehäuse 122 hinein und gehen in eine positive Kondensatorleitung 126 bzw. eine negative Kondensatorleitung 128 über, die mit der zugehörigen DC-Stromschiene 15, 17 einteilig ausgebildet sind. Die positive Kondensatorleitung 126 und die negative Kondensatorleitung 128 sind jeweils mit dem(den) Kondensatorwickel(n) 124 elektrisch verbunden. Alternativ können die DC-Stromschienen 15, 17 mit der zugehörigen Kondensatorleitung 126, 128 jeweils zweiteilig gebildet sein.
  • 6-10 zeigen einen beispielhaft als Wechselrichter ausgebildeten Stromrichter 100B gemäß einer weiteren Ausführungsform jeweils in einer schematischen Darstellung. Der Wechselrichter 100B ist prinzipiell ähnlich zum in 1-5 gezeigten Wechselrichter 100A ausgebildet. Nachfolgend wird bei den gemeinsamen Merkmalen beider Ausführungsformen auf die oben bereits beschriebenen Merkmale verwiesen. Lediglich auf die im Vergleich zum Wechselrichter 100A unterschiedlich ausgestalteten Merkmale des Wechselrichters 100B wird explizit eingegangen.
  • Auch beim Wechselrichter 100B sind drei beispielhaft als Halbbrückenmodule ausgebildete Leistungsmodule 10A-C enthalten, die unterseitig über ein hier nicht gezeigtes (vorzugsweise mehrschichtiges) Substrat auf dem Kühler 20 angebracht sind. Mit dem Zwischenkreiskondensator 12 sind die Halbbrückenmodule 10A-C jeweils mittels einer DC-Stromschienenanordnung elektrisch und mechanisch verbunden. Die DC-Leistungsanschlüsse 14, 16 sowie entsprechend die DC-Stromschienenanordnung sind jedoch verschieden von der beim Wechselrichter 100A aus 1-5 ausgebildet. Zum einen umfassen die DC-Leistungsanschlüsse 14, 16 jeweils einen pluspoligen und einen minuspoligen Leistungasnchluss 14, 16. Zum anderen ist die pluspolige DC-Stromschiene 15 nicht T-förmig, sondern S-förmig bzw. stufenförmig in der Blickrichtung senkrecht zur Oberseite 104 der Vergussmasse 102 ausgebildet. Die pluspolige DC-Stromschiene 15 weist einen ersten Abschnitt 153, der an den pluspoligen DC-Leistungsanschluss 14 elektrisch und mechanisch angebunden ist, und einen vom ersten Abschnitt 153 in der Richtung zum Zwischenkreiskondensator 12 hin versetzten zweiten Abschnitt 155 auf. Der Endabschnitt 172 der minuspoligen DC-Stromschiene 17 ist an den minuspoligen DC-Leistungsanschluss 16 elektrisch und mechanisch angebunden. Entsprechend ist die Isolierfolie 18 zwischen den beiden DC-Stromschienen 15, 17 angeordnet.
  • Auch bei der in 6-10 gezeigten Ausführungsform ist aufgrund der S-förmige bzw. stufenförmig ausgebildeten pluspoligen DC-Stromschiene 17 ein Überlapp zwischen beiden DC-Stromschienen 15, 17 bewerkstelligt. Parallele Stromflüsse sind daher im Bereich des Überlapps zwischen den beiden DC-Stromschienen 15, 17 realisiert. Dies reduziert vorteilhafterweise die Streuinduktivität des Wechselrichters 100B.
  • Die pluspolige DC-Stromschiene 15 und die minuspolige DC-Stromschiene 17 sind jeweils in 8 und 9 näher schematisch gezeigt. Auch hier ist das Wärmeleitplättchen 22 ersichtlich. Außerdem ist in 10 der Wechselrichter 100B in einer schematischen Schnittansicht durch eine mittig senkrecht zur minuspoligen DC-Stromschiene 17 verlaufende Schnittebene gezeigt. Auf die einzelnen Merkmale wird auf die Beschreibung zu 5 verwiesen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10A-C
    Leistungsmodul
    102
    Vergussmasse
    104
    Oberseite
    12
    Zwischenkreiskondensato
    122
    Kondensatorgehäuse
    123
    Unterseite
    124
    Kondensatorwickel
    126
    positive Kondensatorleitung
    128
    negative Kondensatorleitung
    13
    AC-Leistungsanschluss
    14, 14a-b
    pluspoliger DC-Leistungsanchluss
    15
    pluspolige DC-Stromschiene
    152a-b
    Seitenflügel
    153
    erster Abschnitt
    154
    Zwischenabschnitt
    155
    zweiter Abschnitt
    16
    minuspoliger DC-Leistungsanchluss
    17
    minuspolige DC-Stromschiene
    172
    Endabschnitt
    18
    Isolierfolie
    19
    Signalpins
    20
    Kühler
    22
    Wärmeleitfolie
    100A-B
    Wechselrichter

Claims (12)

  1. Leistungsmodul (10A-C) für einen Stromrichter (100A-B) zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug, umfassend: - mehrere Halbleiterschaltelemente zum Erzeugen eines Ausgangsstroms basierend auf einem von einer Spannungsquelle bereitgestellten Eingangsstrom mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente, - mehrere Leistungsanschlüsse (14, 14a-b, 16) zum Einspeisen des Eingangsstroms in die Halbleiterschaltelemente, - eine Stromschienenanordnung, die einen Zwischenkreiskondensator (12) mit den Leistungsanschlüssen elektrisch verbindet, wobei die Stromschienenanordnung eine pluspolige Stromschiene (15) und eine minuspolige Stromschiene (17) umfasst, die einander zumindest abschnittsweise überlappen.
  2. Leistungsmodul (10A-C) nach Anspruch 1, wobei die Halbleiterschaltelemente auf einer Oberseite eines Substrats angeordnet sind, wobei sich die Leistungsanschlüsse (14, 14a-b, 16) zumindest teilweise in einer zur Oberseite des Substrats senkrechten Richtung erstrecken und dem Zwischenkreiskondensator (12) zugewandt sind.
  3. Leistungsmodul (10A-C) nach Anspruch 2, wobei die pluspolige Stromschiene (15) und die minuspolige Stromschiene (17) zumindest abschnittsweise bezüglich der zur Oberseite des Substrats senkrechten Richtung überlappen.
  4. Leistungsmodul (10A-C) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Leistungsanschlüsse (14a-b, 16) zwei plus-/minuspolige Leistungsanschlüsse (14a-b) und einen zwischen diesen angeordneten minus-/pluspoligen Leistungsanschluss (16) umfassen.
  5. Leistungsmodul (10A-C) nach Anspruch 4, wobei die plus-/minuspolige Stromschiene (15) T-förmig ausgebildet ist und zwei an die beiden plus-/minuspoligen Leistungsanschlüsse (14a-b) elektrisch angebundene Seitenflügel (152a-b) und einen dazwischen verbindenden Zwischenabschnitt (154) aufweist.
  6. Leistungsmodul (10A-C) nach Anspruch 5, wobei die Seitenflügel (152a-b) im Wesentlichen entlang einer von den plus-/minuspoligen Leistungsanschlüssen (14ab) definierten Geraden verlaufen, wobei der Zwischenabschnitt (154) in einer dem Zwischenkreiskondensator (12) zugewandten Richtung von den Seitenflügeln (152a-b) seitlich versetzt ist.
  7. Leistungsmodul (10A-C) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Leistungsanschlüsse (14, 16) einen pluspoligen Leistungsanschluss (14) und einen minuspoligen Leistungsanschluss (16) umfassen.
  8. Leistungsmodul (10A-C) nach Anspruch 7, wobei die pluspolige Stromschiene (15) oder die minuspolige (17) S-förmig ausgebildet ist und einen an den pluspoligen Leistungsanschluss (14) bzw. den minuspoligen Leistungsanschluss 16) elektrisch angebundenen ersten Abschnitt (153) und einen in einer dem Zwischenkreiskondensator (12) zugewandten Richtung vom ersten Abschnitt (153) seitlich versetzten zweiten Abschnitt (155) aufweist.
  9. Leistungsmodul (10A-C) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Isolierfolie (18) zur Potentialtrennung der pluspoligen Stromschiene (15) von der minuspoligen Stromschiene (17) zwischen beiden Stromscheinen (15, 17) angeordnet ist.
  10. Stromrichter (100A-B), insbesondere Wechselrichter, zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug, umfassend ein oder mehrere Leistungsmodule (10A-C) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
  11. Elektrischer Achsantrieb für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, umfassend eine E-Maschine, eine Getriebeeinrichtung und einen Stromrichter (100A-B), insbesondere einen Wechselrichter, nach Anspruch 10.
  12. Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, umfassend einen elektrischen Achsantrieb nach Anspruch 11.
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