-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls für einen Stromrichter, 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 Elektrofahrzeuge, bspw. batteriebetriebene Fahrzeuge (Battery Electric Vehicles) und Hybridfahrzeuge, bekannt. Diese werden ausschließlich bzw. unterstützend von einer oder mehreren elektrischen Maschinen als Antriebsaggregate angetrieben. Um die elektrischen Maschinen solcher Elektrofahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen, umfassen die Elektrofahrzeuge elektrische Energiespeicher, insbesondere wieder aufladbare 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 üblicherweise ein mit einer Leistungselektronik ausgestatteter 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.
-
Die Halbleiterschaltelemente sind vorzugsweise Transistoren wie MOSFETs oder IGBTs und weisen jeweils mehrere Anschlüsse zum Beaufschlagen des jeweiligen Halbleiterschaltelements mit einem Schalterstrom (Leistungsanschlüsse) sowie zum Einprägen eines Schaltsignals (Steueranschluss), um den Schalterstrom durchzulassen bzw. zu sperren. Zur Übertragung des Schaltsignals werden Signalpins verwendet, die einerseits mit dem Steueranschluss und andererseits mit einer Steuer- (bzw. Treiber)einrichtung verbunden sind, die eine mit Treiberbauteilen bestückte Leiterplatte umfasst.
-
Die Halbleiterschaltelemente können in einer Schutzverkleidung aufgenommen sein. Kontaktbereiche zum Anschluss von Leistungsanschlüssen und Signalpins ragen im Regelfall aus der Schutzverkleidung, um außerhalb dieser kontaktiert zu werden.
-
Von Nachteil ist, dass die Signalpins über Press-Fit oder Löten mit der Leiterplatte kontaktiert werden müssen, wodurch sich die Herstellung des Leistungsmoduls komplizierter gestaltet. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass eine genaue Ausrichtung der Signalpins zueinander durch die in der Schutzverkleidung vorhergesehenen Öffnungen aufgrund von Fertigungstoleranzen erschwert wird.
-
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 Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls, 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, insbesondere einen Wechselrichter, zum Betreiben eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug. Das Leistungsmodul umfasst mehrere Halbleiterschaltelemente zum Einspeisen eines Eingangsstroms und zum Erzeugen eines Ausgangsstroms basierend auf dem eingespeisten Eingangsstrom mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente. Der Stromrichter ist vorzugsweise ein DC/AC-Wechselrichter (Inverter). In diesem Fall 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. Alternativ kann der Stromrichter ein DC/DC-Gleichrichter (Konverter) sein. In diesem Fall 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. Das den Halbleiterschaltelementen zugrundeliegende Halbleitermaterial ist vorzugsweise Silizium oder ein sogenannter Halbleiter mit einer großen Bandlücke, etwa Siliziumcarbid, Galliumnitrid oder Galliumoxid, von vorzugsweise 2,5 Elektronenvolt oder mehr.
-
Die Halbleiterschaltelemente weisen jeweils einen pluspoligen Leistungsanschluss (z.B. Emitter- oder Source-Leistungsanschluss), einen minuspoligen Leistungsanschluss (z.B. Kollektor- oder Drain-Leistungsanschluss) und einen Steueranschluss (z.B. Gate-Anschluss) auf. Zusätzlich ist zumindest ein Signalpin, vorzugsweise mehrere Signalpins, jeweils mit dem Steueranschluss und/oder mit einem der Leistungsanschlüsse elektrisch leitend verbunden. Der zumindest eine Signalpin ist vorzugsweise mit einem den Halbleiterschaltelementen zugewandten Schaftabschnitt und einem der Leiterplatte der Steuereinrichtung zugewandten Kopfabschnitt ausgebildet.
-
Das Leistungsmodul umfasst eine stromisolierende Schutzverkleidung, in der die Halbleiterschaltelemente aufgenommen sind. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um eine Umspritzung, die durch Umspritzen der Halbleiterschaltelemente und weiter vorzugsweise auch der Leistungsanschlüsse, der Steueranschlüsse und der Signalpins mit einem stromisolierenden Spritzgussmaterial gebildet ist. Der Leiterrahmen (Engl.: lead frame) umfasst zusätzlich mehrere Leistungsanschlüsse zum Einspeisen des DC-Stroms und zum Abgeben des erzeugten AC-Stroms, die mit den Stromleitungen elektrisch in Verbindung stehen.
-
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung gelangt bei der Herstellung eines Leistungsmoduls ein Leiterrahmen zum Einsatz, der mehrere Leistungsanschlüsse, mehrere Signalpins, und mehrere Verbindungselemente einstückig aufweist. Die Signalpins weisen jeweils einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt auf. Die mehreren Verbindungselemente verbinden die Signalpins miteinander. Eine Halbleiterschaltelement wird unterseitig des Leiterrahmens angebracht und die Signalpins mit mehreren Strom- und/oder Steuerkontakten des Halbleiterschaltelements verbunden. Weiterhin werden die Leistungsanschlüsse mit den Stromkontakten des Halbleiterschaltelements verbunden. Der Leiterrahmen wird in eine stromisolierende Schutzverkleidung derart aufgenommen, dass der erste Abschnitt der Signalpins zumindest teilweise innerhalb der strom isolierende Schutzverkleidung angeordnet ist und der zweite Abschnitt der Signalpins außerhalb der stromisolierende Schutzverkleidung angeordnet ist. Anschließend erfolgt ein Durchbrechen, bspw. und vorzugsweise Stanzen, der mehreren Verbindungselemente, um die Signalpins voneinander elektrisch zu trennen.
-
Ein Vorteil besteht darin, dass der Leiterrahmen eine erhöhte Stabilität bei einem Anbringen der Halbleiterschaltelemente und/oder der stromisolierenden Schutzverkleidung und gegenüber weiteren, ggf. optionalen, Verfahrensschritten, bspw. einem mechanischen Verformen des Leiterrahmens und/oder einem elektrischen Kontaktieren, bspw. und vorzugsweise mittels Drahtbonden, aufweist. Darüber hinaus werden weniger Bauteile, bspw. und insbesondere Bestandteile für die Signalpins, benötigt. Der Zusammenbau des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls wird dadurch insgesamt vereinfacht und Kriechstreckenprobleme entfallen, da die Signalpins keine externen Bauteile berührt. Die eigentliche Form der Signalpins wird zudem erst in Schritt (iv) gemäß dem Hauptanspruch festgelegt. Die Form der Signalpins, bspw. eine S-Form, kann derart gewählt werden, dass eine kompaktere Bauform des Leistungsmoduls ermöglicht wird. Außerdem wird eine geringere Fläche zum Durchführen der Signalpins durch die Leistungsanschlüsse zum Einspeisen des DC-Stroms benötigt, sodass die Leistungsanschlüsse zum Einspeisen des DC-Stroms eine größere Fläche für den DC-Strom zur Verfügung stellen. Die daraus resultierende geringere Stromdichte führt zu einer geringeren Wärmeentwicklung und einem besseren thermischen Verhalten des Leistungsmoduls. Ein weiter Vorteil besteht darin, dass die Signalpins einstückig erhalten und beliebig ausgerichtet werden können. Noch ein weiterer Vorteil besteht darin, dass diese Ausrichtung außerhalb der stromisolierenden Schutzverkleidung angeordneten, zweiten Abschnitts des Signalpins entlang einer Seitenwand der stromisolierenden Schutzverkleidung erfolgen kann. Die Seitenwand vereinfacht dabei das Ausrichten, bspw. und vorzugsweise ein Verbiegen der Signalpins, da das Ausrichten gegen den Austrittspunkt des Signalpins aus der stromisolierenden Schutzverkleidung erfolgen kann.
-
Gemäß einer Ausführungsform sind die mehreren Verbindungselemente im Wesentlichen rechtwinklig zu den mehreren Signalpins angeordnet. Optional oder vorzugsweise entsprechen sowohl Material als auch Querschnitt der mehreren Signalpins und der mehreren Verbindungselemente einander. Im Wesentlichen rechtwinklig zu den mehreren Signalpins angeordnete, und damit auch mit den mehreren Signalpins im Wesentlichen rechtwinklig verbundene, Verbindungselemente ermöglichen eine höhere Stabilität des Leiterrahmens gegenüber mechanischer Belastung, bspw. gegenüber einem Anbringen der Halbleiterschaltelemente, Verbinden der Signalpins mit mehreren Strom- und/oder Steuerkontakten des Halbleiterschaltelements, Verbinden der Leistungsanschlüsse mit den Stromkontakten des Halbleiterschaltelements, und Aufnahme des Leiterrahmens in eine stromisolierende Schutzverkleidung. Dadurch kann die Stabilität der mehreren Signalpins gewährleistet werden. Material der mehreren Signalpins und der mehreren Verbindungselemente und Querschnitt der mehreren Signalpins und der mehreren Verbindungselemente, welche einander entsprechen, tragen gleichermaßen oder alternativ zu den vorstehend genannten Vorteilen bei. Außerdem wird, sofern sowohl das Material als auch Querschnitt der mehreren Signalpins und der mehreren Verbindungselemente einander entsprechen, die eigentliche Struktur bzw. Form der Signalpins erst durch das Durchbrechen, bspw. und vorzugsweise Stanzen, der Verbindungselemente festgelegt. So können insbesondere Mittelabschnitte der Signalpins erst in einem späten Verfahrensschritt, dem Durchbrechen der Verbindungselemente, definiert werden, indem Verbindungsabschnitte lediglich an bestimmte Stellen von den Signalpins getrennt werden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der zweite Abschnitt einen an den ersten Abschnitt angrenzenden Mittelabschnitt und einen an den Mittelabschnitt angrenzenden Endabschnitt auf. Der Mittelabschnitt entspricht hierbei einem Abschnitt eines der mehreren Verbindungselemente. Das im Schritt (iv) gemäß dem Hauptanspruch definierte Durchbrechen der mehreren Verbindungselemente weist ferner ein Durchbrechen der mehrere Längselemente auf, um die Signalpins voneinander elektrisch zu trennen. Optional oder vorzugsweise entsprechen sowohl Material als auch Querschnitt der mehreren Signalpins und der mehreren Längselemente einander. Dadurch kann die Stabilität der Signalpins gegenüber mechanischer Belastung, bspw. gegenüber einem Anbringen der Halbleiterschaltelemente, Verbinden der Signalpins mit mehreren Strom- und/oder Steuerkontakten des Halbleiterschaltelements, Verbinden der Leistungsanschlüsse mit den Stromkontakten des Halbleiterschaltelements, und Aufnahme des Leiterrahmens in eine stromisolierende Schutzverkleidung, weiter verbessert werden. Außerdem wird, sofern sowohl das Material als auch der Querschnitt der mehreren Signalpins und der mehreren Längselemente einander entsprechen, die eigentliche Struktur bzw. Form der Signalpins erst durch das Durchbrechen, bspw. und vorzugsweise Stanzen, der Verbindungselemente und Längselemente festgelegt. So können insbesondere Mittelabschnitte der Signalpins erst in einem späten Verfahrensschritt, dem Durchbrechen der Verbindungselemente und Längselemente, definiert werden, indem Verbindungsabschnitte, Längselemente und Signalpins selektiv getrennt werden.
-
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Durchbrechen der mehreren Verbindungselemente derart, dass die Signalpins um den Mittelpunkt des Leistungsmoduls symmetrisch angeordnet sind oder um eine Mittellinie in der Längsrichtung des Leistungsmoduls symmetrisch angeordnet sind. So definiert, bspw., bei insgesamt sechs Signalpins, wobei jeweils drei Signalpins an zwei abgewandten Seiten des Leistungsmoduls angeordnet sind, eine durch den jeweils mittleren der drei Signalpins verlaufende Gerade die Mittellinie in der Längsrichtung des Leistungsmoduls. Die Symmetrie bzw. die symmetrische Anordnung der Signalpins um den Mittelpunkt des Leistungsmoduls oder um eine Mittellinie in der Längsrichtung des Leistungsmoduls trägt dazu bei die Fläche gering zu halten, die zum Durchführen der Signalpins durch die Leistungsanschlüsse zum Einspeisen des DC-Stroms benötigt wird. Dadurch kann das thermische Verhalten des Leistungsmoduls weiter verbessert werden. Ein weiterer Vorteil besteht in einer vereinfachten Herstellung und Einsatz des Leistungsmoduls.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die zweiten Abschnitte der Signalpins entlang einer ersten Seitenfläche der stromisolierenden Schutzverkleidung ausgerichtet. Die derart entlang einer ersten Seitenfläche der stromisolierenden Schutzverkleidung angeordneten Signalpins können einfacher und platzsparend an der Oberseite der stromisolierenden Schutzverkleidung kontaktiert werden. Die Signalpins können genau ausgerichtet und ein Brechen der Signalpins kann vermieden werden.
-
Gemäß einer Ausführungsform weist ein Leistungsmodul für einen Stromrichter zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug, auf: einen Leiterrahmen, welcher mehrere Leistungsanschlüsse, und mehrere Signalpins einstückig aufweist, wobei die Signalpins jeweils einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweisen, ein Halbleiterschaltelement unterseitig des Leiterrahmens, wobei die Signalpins mit mehreren Strom- und/oder Steuerkontakten des Halbleiterschaltelements verbunden sind und die Leistungsanschlüsse mit den Stromkontakten des Halbleiterschaltelements verbunden sind, und eine stromisolierende Schutzverkleidung, in welcher der Leiterrahmen derart aufgenommen ist, dass der erste Abschnitt der Signalpins zumindest teilweise innerhalb der stromisolierende Schutzverkleidung angeordnet ist und der zweite Abschnitt der Signalpins außerhalb der stromisolierende Schutzverkleidung angeordnet ist. Der Leiterrahmen weist ferner mehrere Verbindungselemente einstückig auf, die von den Signalpins elektrisch getrennt vorliegen. Mithin ist eine funktionale Leiterplatte ausgebildet.
-
Das Verbinden der Signalpins mit mehreren Strom- und/oder Steuerkontakten des Halbleiterschaltelements sowie das Verbinden der Leistungsanschlüsse mit den Stromkontakten des Halbleiterschaltelements geschieht vorzugsweise durch Drahtbonden, wobei die Drähte, bspw. durch Löten oder Verkleben, an den Kontaktstellen des Halbleiterschaltelements, der Leistungsanschlüsse, und der Signalpins befestigt werden. Die notwendige elektrische Verbindung der verschiedenen Baugruppen kann hierdurch einfach und zuverlässig erfolgen.
-
Der Leiterrahmen kann von einem Rahmenelement zumindest teilweise umgeben sein, wobei die Signalpins durch die Verbindungselemente und optional die Längselemente mit dem Rahmenelement verbunden sind. Das Rahmenelement stabilisiert den Leiterrahmen mechanisch.
-
Das erfindungsgemäße Leistungsmodul für einen Stromrichter zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug kann beispielsweise und vorzugsweise durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten werden.
-
Der zweite Abschnitt kann ferner einen Mittelabschnitt angrenzend an den ersten Abschnitt und einen an den Mittelabschnitt angrenzenden Endabschnitt aufweisen, welcher im Wesentlichen senkrecht auf einer Ebene der Leiterplatte angeordnet ist, vorzugsweise wobei der Mittelabschnitt teilweise im Wesentlichen parallel zu der Ebene der Leiterplatte angeordnet ist. Im Allgemeinen kann der Mittelabschnitt eine beliebige Form annehmen, bspw. kann dieser stufenförmig, scheibenförmig, zylindrisch, C-förmig und/oder S-förmig ausgebildet sein. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine beliebige (räumliche) Ausgestaltung der Signalpins, die bis zu dem Entfernen der Verbindungselemente und optional der Längselemente durch diese mechanisch stabilisiert werden und daher beliebige Formen aufweisen können. Die Signalpins werden weiter durch das Ausrichten gegen den Austrittspunkt des Signalpins aus der stromisolierenden Schutzverkleidung, und nach erfolgtem Ausrichten durch die stromisolierende Schutzverkleidung als solche stabilisiert. Weiterhin kann der Abstand zwischen dem Leistungsanschluss bzw. den Leistungsanschlüssen auf der einen Seite und der Treibereinrichtung bzw. der Leiterplatte andererseits derart verkürzt werden, dass der Signalübertragungswiderstand geringer wird. Etwaige Verzögerungen der Signalübertragung können auf diese Weise wirksam reduziert werden. Die Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente ist vorteilhafterweise sicherer und zuverlässiger. Zusätzlich ist bei der verringerten Signalübertragungsstrecke die Streuinduktivität im Leistungsmodul reduziert. Die Streuinduktivität führt bei ständigem Ein- und Ausschalten der Halbleiterschaltelemente oft zu Spannungsfluktuationen bzw. Spannungsübersprüngen, die die Funktionalität der Halbleiterschaltelemente und somit auch des gesamten Strom- bzw. Wechselrichters beeinträchtigen können. Durch die verringerte Streuinduktivität wird eine solche funktionale Beeinträchtigung daher reduziert. Dadurch, dass sich die Kopplungsstärke zwischen der Streuinduktivität und den Spannungsfluktuationen bzw. Spannungsübersprüngen proportional zur Schaltgeschwindigkeit verhält, können erfindungsgemäß WBS-Halbleitermaterialien mit besonders schneller Schaltgeschwindigkeit eingesetzt werden, ohne dass die Streuinduktivität hohe Schaltverluste verursacht.
-
Optional kann ein zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt angeordneter Krümmungsabschnitt einen Querschnitt aufweisen, welcher einem ersten Querschnitt des ersten Abschnitts und einem zweiten Querschnitt des zweiten Abschnitts entspricht. Dies kann durch eine geeignete Form des Signalpins an dem Krümmungsabschnitt Rechnung getragen werden. Das Ausrichten, bspw. das Verbiegen, des Metallmaterials des Signalpins erfordert zusätzliches Metallmaterial an dem Krümmungsabschnitt, bspw. in Form eines Wulstes aus Metallmaterial, um der Biegeverlängerung Rechnung zu tragen. Die Biegeverlängerung ist, wie die Biegeverkürzung, u.a. abhängig von dem verwendeten Material und kann entsprechend der Biegeverkürzung empirisch oder anhand bekannter Formeln bestimmt werden. Dadurch kann ein gleichbleibender Querschnitt des Signalpins an dem Krümmungsabschnitt, ggf. auch an weiteren Krümmungsabschnitten, und damit auch ein gleichbleibender Widerstand des Signalpins erreicht werden. Es ist klar, dass bei den Leistungsanschlüssen entsprechend verfahren werden kann, indem bspw. an einem Krümmungsabschnitt eines Leistungsanschlusses ein Materialwulst vorgesehen ist.
-
Die stromisolierende Schutzverkleidung kann bspw. an einer Stelle oberhalb des Austrittpunkts des Signalpins aus der stromisolierenden Schutzverkleidung eine Halterung zur Aufnahme des Signalpins aufweisen. Die Halterung kann bspw. und vorzugsweise die Form einer Rille annehmen, die sich oberhalb des Austrittpunkts des Signalpins aus der stromisolierenden Schutzverkleidung im Wesentlichen senkrecht erstreckt. Alternativ kann eine Halterung auch nach dem Ausbilden der stromisolierenden Schutzverkleidung an dieser, bspw. durch Verkleben oder Verschrauben, befestigt werden. Dadurch kann ein Signalpin beispielsweise und vorzugsweise ohne Spiel des Signalpins genau ausgerichtet werden. Die Halterung sorgt für eine stabilere ortsfeste Positionierung der Signalpins bei gleichzeitiger Potential- und Signaltrennung zwischen den Signalpins.
-
Die Schutzverkleidung und die Halterung können aus einem geeigneten Material, bspw. und vorzugsweise aus einem Duroplast, einstückig ausgebildet sein. Vorzugsweise kann das Leistungsmodul durch Umspritzen der Halbleiterschaltelemente, der Leistungsanschlüsse, der Steueranschlüsse und/oder der Signalpins mit dem Duroplast hergestellt werden. Eine, bspw. aus einem Duroplast, einstückig ausgebildete Schutzverkleidung mit integrierter Halterung kann in einem einzelnen Arbeitsschritt, durch bspw. und vorzugsweise Spritzguss, mit vergleichsweise geringem Aufwand hergestellt werden.
-
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. Alternativ können mehrere Halbbrückenmodule miteinander kombiniert werden, um eine hinsichtlich der maximal tragbaren Strommenge erweiterte Halbbrücke 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 einen Wechselrichter oder einen Gleichrichter 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.
-
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung betreffen Ausdrücke wie „entlang einer ersten Seitenfläche der stromisolierenden Schutzverkleidung“ Richtungen in Bezug auf die stromisolierende Schutzverkleidung, deren Oberseite und Unterseite im Wesentlichen parallel zur Ebene der Leiterplatte und mithin im Wesentlichen zur Leiterplatte ausgerichtet sind. Ein Seitfläche der stromisolierenden Schutzverkleidung ist im Wesentlichen senkrecht zu der Ebene der Leiterplatte und mithin im Wesentlichen zur Leiterplatte ausgerichtet. Die stromisolierende Schutzverkleidung nimmt mithin vorzugsweise die Form eines im Wesentlichen Rechtwinkligen Hexaeders an, in welchem die Leiterplatte eingebettet ist. Ausdrücke wie „im Wesentlichen“ betreffen Abweichung von weniger als ±1 0°, vorzugsweise von weniger als ±2°, von der genannten Richtung. Der Ausdruck „zumindest teilweise“ betrifft eine Länge von mindestens 10 % der Gesamtlänge des jeweiligen Objekts.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Leiterrahmens mit Leistungsanschlüssen, Signalpin, Rahmenelement, und Verbindungselementen gemäß einer Ausführungsform,
- 2 eine perspektivische Ansicht des Leiterrahmens der Ausführungsform aus der 1 nach einem Drahtbonden,
- 3 eine perspektivische Ansicht des Leiterrahmens der Ausführungsform aus der 2 nach der Aufnahme in eine strom isolierende Schutzverkleidung,
- 4 eine perspektivische Ansicht des Leiterrahmens der Ausführungsform aus der 3 mit ausgewählten Stanzstellen,
- 5 eine perspektivische Ansicht des Leistungsmoduls, nach Entfernen des Rahmenelements, der Verbindungselemente und der Längselemente, gemäß der Ausführungsform aus der 4, und
- 6 eine perspektivische Ansicht des Leistungsmoduls gemäß der Ausführungsform aus der 5 mit umgebogenen Signalpins.
-
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. Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden in den Figuren lediglich einige der jeweiligen Merkmale in den Figuren bezeichnet. So wird im Regelfall bspw. lediglich ein Signalpin und ein Leistungsanschluss in den Figuren bezeichnet, wobei sich dem Fachmann ohne weiteres die weiteren Signalpins und Leistungsanschlüsse erschließen.
-
Im vorliegenden Fall wird in der 1 ein Leiterrahmen 12 gezeigt, ausgehend von welchem das Leistungsmodul 10 hergestellt wird. Der Leiterahmen 12 kann der ersten Metalllage eines Substrats entsprechen, auf welchem die Halbleiterschaltelemente eines Leistungsmoduls angebracht werden (vgl. hierzu 5 und 6) und kann beispielsweise durch Stanzen und ggf. Verformen eines Metallblechs erhalten werden. Der Leiterrahmen 12 weist im vorliegenden Fall sechs Leistungsanschlüsse 22, sechs Signalpins 24, wobei jeweils drei Signalpins 24 an gegenüberliegenden Seiten des Leiterrahmens 12 angeordnet sind. Jeder Signalpin 24 weist einen ersten Abschnitt 26a und einen zweiten Abschnitt 26b auf. Die Mittelachse des Leiterrahmens 12 verläuft durch jeweils den mittleren der drei Signalpins 24 an den gegenüberliegenden Seiten des Leiterrahmens 12.
-
Ferner weist der Leiterrahmen 12 ein Rahmenelement 14, mehrere Verbindungselemente 16 sowie mehrere Längselemente 18 einstückig auf, wobei die mehreren Verbindungselemente 16, die Signalpins 24 im Wesentlichen rechtwinklig miteinander verbinden und die mehreren Längselemente 18 im Wesentlichen parallel zu den mehreren Signalpins 12 angeordnet sind und durch die mehreren Verbindungselemente 16 mit den mehreren Signalpins 12 verbunden sind. Im vorliegenden Fall liegt jeweils ein Längselement im Wesentlich parallel zu jeweils dem äußeren der jeweils drei an gegenüberliegenden Seiten des Leiterrahmens 12 angeordneten Signalpins 24 vor. Die Längselemente 18 sind durch zwei Verbindungselemente mit den jeweils drei Signalpins 24 verbunden. Signalpins, Verbindungselemente, und Längselemente 18 sind vorzugsweise aus dem gleichen Material gefertigt und weisen entsprechende Querschnitte, mit entsprechender Breite und Höhe, auf.
-
Es ist klar, dass die Zahl und/oder Anordnung der Leistungsanschlüsse 22, der Signalpins 24, der Verbindungselemente 16 und/oder Längselemente 18 je nach Anwendung und Ausgestaltung des Stromrichters beliebig variiert werden kann und nicht auf das vorstehend beschriebene begrenzt ist.
-
2 zeigt den Leiterahmen 12 gemäß der Ausführungsform aus der 1 in einer Perspektivansicht. Ein Halbleiterschaltelement ist unterseitig des Leiterrahmens 12 angebracht und die Signalpins 24 werden mit mehreren Strom- und/oder Steuerkontakten des Halbleiterschaltelements verbunden bzw. elektrisch kontaktiert. Außerdem werden die Leistungsanschlüsse 22 mit den Stromkontakten des Halbleiterschaltelements verbunden bzw. elektrisch kontaktiert. Dies geschieht im gezeigten Fall durch Drahtbonden mittels einzelner Bonddrähte 28.
-
3 zeigt den Leiterahmen 12 gemäß der Ausführungsform aus der 2 in einer Perspektivansicht. Der Leiterahmen 12 ist derart in eine stromisolierende Schutzverkleidung 30 aufgenommen, dass lediglich zweite Abschnitte 26b der Signalpins 24 au-ßerhalb der stromisolierende Schutzverkleidung 30 angeordnet sind. Gleichermaßen ragen Endbereiche der Leistungsanschlüsse 22 aus der stromisolierende Schutzverkleidung 30. Die Signalpins 24 sind hierbei noch durch das Rahmenelement 14, die Verbindungselemente 16, und die Längselemente 18 miteinander verbunden und werden von diesen mechanisch gehaltert und stabilisiert.
-
4 zeigt den Leiterahmen 12 gemäß der Ausführungsform aus der 3 in einer Perspektivansicht. Das Rahmenelement 14, die Verbindungselemente 16, und die Längselemente 18 werden von den Leistungsanschlüssen 22 und Signalpins 24 durch Durchbrechen, im vorliegenden Fall durch Stanzen, voneinander getrennt. Das Stanzen wird hierbei mittels Stanzlinien 40 rein schematisch angedeutet und nur für die drei Signalpins 24 gezeigt, welche auf der ersten Seite 32 der stromisolierenden Schutzverkleidung 30 angeordnet sind.
-
5 und 6 zeigen ein Leistungsmodul 10 gemäß einer Ausführungsform in einer Perspektivansicht. Das Leistungsmodul 10 ist zum Einsatz für einen Stromrichter ausgebildet. Der Stromrichter ist vorzugsweise ein DC/AC-Wechselrichter, der einen von einer DC-Spannungsquelle (etwa Batterie) bereitgestellten DC-Strom in einen AC-Strom mit mehreren Phasenströmen erzeugt. Alternativ ist der Stromrichter ein DC/DC-Gleichrichter, der eine DC-Eingangsspannung in eine von dieser verschiedene DC-Ausgangsspannung umwandelt.
-
Das Leistungsmodul 10 umfasst mehrere Halbleiterschaltelemente. Die Halbleiterschaltelemente sind auf einem Substrat angebracht, welches einen mehrschichtigen Aufbau bspw. mit einer ersten Metalllage, einer zweiten Metalllage und einer dazwischen befindlichen Isolationslage aufweist. An die erste Metalllage sind die Halbleiterschaltelemente angebunden, wobei die Anbindung vorzugsweise mittels eines oder mehreres von Sintern, Löten und Kleben erfolgt. Die erste (obere) Metalllage ist in zwei Bereiche aufgeteilt. Im ersten Bereich sind die Halbleiterschaltelemente angeordnet, während im zweiten Bereich lediglich eine der Stromleitungen mit dem Substrat elektrisch verbunden ist. Oberseitig der Halbleiterschaltelemente ist ein Leiterrahmen angeordnet, der über mehrere Stromleitungen verfügt. Über diese Stromleitungen können mehrere Leistungsanschlüsse der Halbleiterschaltelemente elektrisch von außen kontaktiert werden, um beispielsweise den DC-Strom einzuspeisen und den AC-Strom bzw. die Phasenströme an eine E-Maschine des zu bestromenden elektrischen Achsantriebs abzugeben. Der Leiterrahmen kann mittels einer Sinterschicht mit den Halbleiterschaltelementen und dem Substrat verbunden werden. Außerdem kann die zweite (untere) Metalllage an eine Oberseite eines Kühlers mittels einer Sinterschicht angebunden werden. Der Kühler ist dazu ausgebildet im Leistungsmodul 10 entstehende Wärme zu absorbieren bzw. abzuführen. Alternativ kann eine Kleberschicht, eine Lötschicht oder ein anderes Verbindungsmittel hierfür eingesetzt werden.
-
Insbesondere zeigt die 5 das Leistungsmodul 10 gemäß der Ausführungsform aus der 4 in einer Perspektivansicht. Zu sehen ist das Leistungsmodul 10 mit der stromisolierenden Schutzverkleidung 30, in der der Leiterrahmen (nicht gezeigt) aufgenommen vorliegt, die aus der stromisolierenden Schutzverkleidung 30 hervorragenden Leistungsanschlüsse 22, sowie die zweiten Abschnitte 26b der Signalpins 24, 24'. Das Rahmenelement 14, die Verbindungselemente 16, und die Längselemente 18 wurden entfernt. Es ist weiter zu erkennen, dass die Signalpins 24, 24' symmetrisch zu dem Mittelpunkt der Leiterplatte (nicht gezeigt) an der ersten Seite 32 und der zweiten Seite 34 der der stromisolierenden Schutzverkleidung 30 angeordnet sind. Weiterhin kann der 5 entnommen werden, dass der zweite Abschnitt 26b einen Mittelabschnitt 26' angrenzend an den in der stromisolierenden Schutzverkleidung 30 angeordneten ersten Abschnitt, sowie einen Endabschnitt 26" angrenzend an den Mittelabschnitt 26' aufweist. Der Mittelabschnitt 26' liegt im Wesentlichen parallel zur stromisolierenden Schutzverkleidung 30 vor.
-
6 zeigt das Leistungsmodul 10 gemäß der Ausführungsform aus der 5 in einer Perspektivansicht. Im Vergleich zu der 5 sind die Leistungsanschlüsse 22 um eine Seitenwand und die Oberseite der stromisolierenden Schutzverkleidung 30 angeordnet. Die Signalpins 24, 24' werden dabei an einem Austrittspunkt der Signalpins 24, 24' aus der stromisolierenden Schutzverkleidung 30 derart nach oben gebogen, dass der zweite Abschnitt 26b im Wesentlichen senkrecht zur Leiterplatte (nicht gezeigt) vorliegt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Leistungsmodul
- 12
- Leiterrahmen
- 14
- Rahmenelement
- 16
- Verbindungselemente
- 18
- Längselemente
- 22
- Leistungsanschlüsse
- 24, 24'
- Signalpins
- 26a
- erster Abschnitt
- 26b
- zweiter Abschnitt
- 26'
- Mittelabschnitt
- 26"
- Endabschnitt
- 28
- Bonddraht
- 30
- stromisolierende Schutzverkleidung
- 32
- erste Seitenfläche
- 34
- zweite Seitenfläche
- 40
- Stanzlinien
