DE102022208130A1 - Halbbrückenmodul für einen Stromrichter mit einer kompakten Bauweise und gleich-zeitig effizienter Kühlung von Halbleiterschaltelementen - Google Patents

Halbbrückenmodul für einen Stromrichter mit einer kompakten Bauweise und gleich-zeitig effizienter Kühlung von Halbleiterschaltelementen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbbrückenmodul (10) für einen Stromrichter zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug, umfassend eine Modulhighside (13) und eine Modullowside (15), die zusammen eine Halbbrücke bilden, wobei die Modulhighside (13) und die Modullowside (15) jeweils ein oder mehrere Halbleiterschaltelemente (12, 14) zum Erzeugen eines Ausgangsstroms basierend auf einem von einer Spannungsquelle bereitgestellten Eingangsstrom mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente (12, 14) umfassen, weiter umfassend einen Kühlkörper (18), wobei die Modulhighside (13) und die Modullowside (15) auf zwei einander gegenüberliegenden Hauptseiten (182, 184) des Kühlkörpers (18) angeordnet und mit dem Kühlkörper (18) doppelseitig thermisch gekoppelt sind, weiter umfassend eine stromisolierende Verkleidung (20), die die Modulhighside (13), die Modullowside (15) und den Kühlkörper (18) umschhließt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Halbbrückenmodul 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 Halbbrückenmodulen besteht das Problem, dass Wärme, die aufgrund hoher Stromeinpräge in die Halbleiterschaltelemente entsteht, nicht hinreichend wirksam abgeführt werden kann. Die Halbleiterschaltelemente sind deshalb einer Überhitzungsgefahr ausgesetzt, die die Funktionalität des gesamten Stromrichters beeinträchtigen kann. Außerdem beanspruchen die aus dem Stand der Technik bekannten Halbbrückenmodule bauartbedingt einen gro-ßen Bauraum, was den dazugehörigen elektrischen Achsantrieb herstellungsaufwändig werden lässt.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Halbbrückenmodul für einen Stromrichter, insbesondere einen Wechselrichter, bereitzustellen, um die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise zu beheben.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Halbbrückenmodul, 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 Halbbrückenmodul 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 Halbbrückenmodul umfasst eine Modulhighside und eine Modullowside, die zusammen eine Halbbrücke bilden. Die Modulhighside und die Modullowside umfassen jeweils ein, vorzugsweise mehrere parallelgeschaltete 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 mehereren Phasenströmen handelt. Der Wechselrichter umfasst vorzugsweise eine mehrphasige Leistungselektronik, die mehrere Phasen aufweist, die jeweils einem der Phasenströme zugeordnet sind. Jede dieser Phasen ist als Halbbrücke ausgebildet und umfasst eine Highside und eine Lowside. Dazu kann jede Phase ein einziges Halbbrückenmodul umfassen. In diesem Fall bildet die Modulhighside die Highside der Phase, wobei die Modullowside die Lowside der Phase bildet. Alternativ kann jede Phase mehrere Halbbrückenmodule umfassen. In diesem Fall bilden die parallelgeschalteten Modulhighsides die Highside der gesamten Phase, wobei die parallelgeschalteten Modullowsides die Lowside der gesamten Phase bilden.
  • 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.
  • Vorzugsweise umfassen die Halbleiterschaltelemente mehrere Transistoren, insbesondere Bipolartransistoren wie Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs). Das den Halbleiterschaltelementen zugrunde liegende Halbleitermaterial ist vorzugsweise Silizium. Alternativ kann ein sogenannter Halbleiter mit einer großen Bandlücke (Engl.: Wide bandgap semiconductors, WBS), etwa Siliziumcarbid oder Galliumnitrid, für die Halbleiterschaltelemente verwendet werden.
  • Das Halbbrückenmodul weist einen Kühlkörper auf. Der Kühlkörper ist vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet. Der Kühlkörper weist zwei einander gegenüberliegende Hauptseiten auf. Hierzu kann der Kühlkörper beispielsweise quaderförmig ausgebildet sein. Die Modulhighside und die Modullowside sind auf den einander gegenüberliegenden Hauptseiten des Kühlkörpers angeordnet.
  • Dies bedeutet, dass die Modulhighside auf einer der beiden Hauptseiten und die Modullowside auf der anderen der beiden Hauptseiten und somit der Modulhighside gegenüberliegend angeordnet ist. Auf diese Weise sind die Halbleiterschaltelemente der Modulhighside und der Modullowside mit dem Kühlkörper thermisch gekoppelt. Diese Anordnung ermöglicht einen Kühlkörper, der nicht nur auf einer Seite, sondern doppelseitig mit den im Halbbrückenmodul verbauten Halbleiterschaltelementen in thermischem Kontakt steht und so seine Kühlwirkung entfaltet. Somit reduziert sich die Querschnittsfläche des Kühlkörpers deutlich, die zum Anbringen der Halbleiterschaltelemente erforderlich ist, was eine kompaktere Bauweise des Halbbrückenmoduls ermöglicht. Außerdem resultiert aus der doppelseitigen Kühlung auch eine verbesserte thermische Kopplung zu den Halbleiterschaltelementen.
  • Das Halbbrückenmodul umfasst ferner eine stromisolierende Verkleidung, die die Modulhighside, die Modullowside und den Kühlkörper umschhließt. Die stromisolierende Verkleidung ist vorzugsweise eine Vergussmasse, die mittels Umspritzens der Modulhighside, der Modullowside sowie des Kühlkörpers gebildet ist und diese Komponenten des Halbbrückenmoduls bis auf nötige Anschlüsse wie Stromanschlüsse und Kühlmedienzu- bzw. Abflüsse vollumfänglich umschließt. Auf diese Weise lassen sich die Halbleiterschaltelemente besser vor äußeren Umwelteinflüssen schützen.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist der Kühlkörper eine erste Nebenseite auf, die zu den Hauptseiten senkrecht steht, wobei ein DC-Stromeingang auf der ersten Nebenseite angeordnet ist. Der DC-Stromeingang umfasst einen pluspoligen DC-Stromanschluss und einen minuspoligen DC-Stromanschluss zum Einspeisen eines DC-Stroms. Im Fall des Wechselrichters wird der DC-Strom vorzugsweise von einem Zwischenkreiskondensator über den DC-Stromeingang in die Leistungselektronik eingespeist. Diese Anordnung begünstigt eine niederimpedante Bauweise des Halbbrückenmoduls. Vorzugsweise ragt der DC-Stromeingang aus der stromisolierenden Verkleidung heraus, um von außen elektrisch kontaktiert zu werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich der minuspolige DC-Stromanschluss des DC-Stromeingangs aus einer minuspoligen DC-Stromschiene nach au-ßen, wobei die Halbleiterschaltelemente der Modullowside zwischen einer AC-Stromschiene und der minuspoligen DC-Stromschiene angeordnet sind. Die AC-Stromschiene dient dazu, den AC-Phasenstrom, der mittels der Modulhighside und der Modullowside basierend auf dem eingespeisten DC-Strom erzeugt wird, nach außen abzugeben. Im Fall des Wechselrichters wird der AC-Phasenstrom in eine Wicklung des elektrischen Achsantriebs geleitet. Die AC-Stromschiene ist vorzugsweise mittels einer kunststoffbasierten Isolierschicht auf der der Modulhighside zugeordneten Hauptseite befestigt. Dies ermögicht eine sichere Potentialtrennung zwischen dem Kühlkörper und der AC-Stromschiene, sodass die hohen Ströme, die durch die Halbleiterschaltelemente der Modullowside fließen, nicht versehentlich zum Kühlkörper geleitet werden. Die Halbleiterschaltelemente der Modullowside sind an ihren jeweiligen pluspoligen Stromelektroden (Source) an die AC-Stromschiene elektrisch angebunden, wobei sie an ihren jeweiligen minuspoligen Stromelektroden (Drain) an die minuspolige DC-Stromschiene elektrisch angebunden sind. Diese Maßnahme ermöglicht eine einfache und sichere Kontaktierung der Halbleiterschaltelemente für die Modullowside.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die AC-Stromschiene derart gebogen, dass ein erster Abschnitt der AC-Stromschiene, der sich von einem auf einer der Modullowside zugeordneten Hauptseite angeordneten zweiten Abschnitt der AC-Stromschiene erstreckt, auf einer zu den Hauptseiten senkrecht stehenden zweiten Nebenseite des Kühlkörpers angeordet ist. Der erste Abschnitt der AC-Stromschiene erstreckt sich vorzugsweise flächig über die zweite Nebenseite des Kühlkörpers, sodass der AC-Phasenstrom gleichmäßig verteilt ist und eine vergleichsweise geringe Stromdichte und damit einhergehend geringere Wärmeerzeugung ermöglicht. Ein AC-Stromanschluss, der beispielsweise zum Kontaktieren mit der Wicklung des elektrischen Achsantriebs im Fall des Wechselrichters dient, ist auf dem ersten Abschnitt angebracht. Vorzugsweise ragt der AC-Stromanschluss aus der stromisolierenden Verkleidung bzw. Vergussmasse heraus.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich ein pluspoliger DC-Stromanschluss aus einer pluspoligen DC-Stromschiene nach außen, wobei die Halbleiterschaltelemente der Modulhighside auf der pluspoligen DC-Stromschiene angeordnet sind. Die pluspolige DC-Stromschiene ist, ähnlich wie AC-Stromschiene, vorzugsweise mittels einer weiteren kunststoffbasierten Isolierschicht auf der der Modulhighside zugeordneten Hauptseite befestigt. Dies ermögicht eine sichere Potentialtrennung zwischen dem Kühlkörper und der pluspoligen DC-Stromschiene, sodass die hohen Ströme, die durch die Halbleiterschaltelemente der Modulhighside fließen, nicht versehentlich zum Kühlkörper geleitet werden. Die Halbleiterschaltelemente der Modulhighside sind an ihren jeweiligen minuspoligen Stromelektroden (Drain) an die AC-Stromschiene elektrisch angebunden, was vorzugsweise mittels Drahtbonden erfolgt. Gleichzeitig sind Die Halbleiterschaltelemente der Modulhighside an ihren jeweiligen pluspoligen Stromelektroden (Source) an die pluspolige DC-Stromschiene elektrisch angebunden. Diese Maßnahme ermöglicht eine einfache und sichere Kontaktierung der Halbleiterschaltelemente für die Modullowside.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind ein Kühlmedienzufluss und/oder ein Kühlmedienabfluss auf einer zu den Hauptseiten senkrecht stehenden dritten Nebenseite angeordnet. Der Kühlmedienzufluss und der Kühlmedienabfluss können auf zwei verschiedenen dritten Nebenseiten, oder alternativ auf derselben dritten Nebenseite angeordnet sein.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin einen Stromrichter zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs, insbesondere einer im Letzteren verbauten elektrischen Maschine mit einem solchen Halbbrückenmodul, 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 Halbbrückenmodul 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 Halbbrückenmoduls in einer Seitenansicht, wobei das Halbbrückenmodul eine Modulhighside und eine Modullowside umfasst, die auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten eines Kühlkörpers angebracht sind;
    • 2 eine schematische Darstellung einer Halbbrückenschaltung;
    • 3 eine schematische Darstellung des Halbbrückenmoduls gemäß einer Ausführungsform in einer Perspektivansicht;
    • 4 eine schematische Darstellung des Halbbrückenmoduls aus 3 in einer weiteren Perspektivansicht.
  • 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 zeigt eine schematische Darstellung eines Halbbrückenmoduls 10 in einer Seitenansicht. Das Halbbrückenmodul 10 ist zur Verwendung für einen Stromrichter, insbesondere einen Wechselrichter zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug ausgebildet. Das Halbbrückenmodul 10 umfasst eine Modulhighside 13 und eine Modullowside 15, die jeweils ein oder, wie in der Ausführung in 3-4 näher gezeigt, mehrere parallelgeschaltete erste Halbleiterschaltelemente 12 bzw. Zweite Halbleiterschaltelemente 14 aufweisen. Die Modulhighside 13 und die Modullowside 15 bilden eine Halbbrücke, die schaltungstechnisch durch eine Halbbrückenschaltung 11 in 2 schematisch dargestellt ist. In der Halbbrückenschaltung 11 in 2 weisen die Modulhighside 112 und die Modullowside 114 jeweils beispielhaft ein als Transistor, vorzugsweise als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) ausgebildetes Halbleiterschaltelement, wobei weiter vorzugsweise eine Diode im Halbleiterschaltelement intrinsisch verbaut ist. Ein pluspoliger DC-Stromanschluss 113 und ein minuspoliger DC-Stromanschluss 117 dienen zum Einspeisen eines eingangsseitigen DC-Stroms. Ausgangsseitig ist ein AC-Stromanschluss 115 zum Leiten eines AC-Phasenstroms an den elektrischen Achsantrieb, insbesondere an seine Wicklungen, zwischen der Modulhighside 112 und der Modullowside 114 verschaltet.
  • Wie in 1 beispielhaft gezeigt, ist ein Kühlkörper 18 mit einem rechteckigen Querschnitt im Halbbrückenmodul 10 vorgesehen, um Wärme, die im Betrieb des Wechselrichters durch hohe Stromeinpräge entsteht, wirksam abzuführen. Dazu sind die ersten Halbleiterschaltelemente 12 der Modulhighside 13 auf einer in der Darstellung aus 1 oberen Hauptseite 182 und die zweiten Halbleiterschaltelemente 14 der Modullowside 15 auf einer in der Darstellung aus 1 unteren Hauptseite 184, die der oberen Hauptseite 182 gegenüberliegt, angeordnet. Ein Kühlmedienanschluss 19 ist seitlich des Kühlkörpers 18 angeordnet, um dem Kühlkörper 18 ein Kühlmedium (etwa Wasser) zuzuführen und das Kühlmedium nach dem Wärmeaustausch mit den Halbleiterschaltelementen 12, 14 aus dem Kühlkörper 18 wieder abzuführen. Die ermöglicht eine doppelseitige thermische Kopplung zwischen der Halbbrücke und dem Kühlkörper 18, die eine flächenmäßig effizientere Kühlwirkung begünstigt. Auf diese Weise lässt sich das Halbbrückenmodul 10 mit einer reduzierten Querschnittsfläche bzgl. der zur Zeichenebene senkrechten Ebene, insbesondere bzgl. der zu den Hauptseiten 182, 184 parallelen Ebene, und somit kompakter gestalten. Der Kühlkörper 18 ist zumindest teilweise mit einer kunststoffbasierten Isolierschicht 21 überzogen, die eine sichere und herstellungseinfache Potentialtrennung zwischen dem Kühlkörper 18 und den Halbleiterschaltelementen 12, 14 gewährleistet. Zum Schutz der Halbbrücke vor äußeren Einflüssen wie mechanischen und/oder thermischen Beeinträctigungen ist eine stromisolierende Verkleidung 20 vorgesehen, mit der die gesamte Halbbrücke des Halbbrückenmoduls 10 mehrseitig, vorzugsweise vollumfänglich, umschlossen ist. Vorzugsweise entsteht die stromisolierende Verkleidung mittels Umsprizens der Halbbrücke und des Kühlkörpers 18 mittels eines stromisolierenden Spritzgussmaterials.
  • 3 und 4 zeigen das Halbbrückenmodul 10 gemäß einer Ausführungsform in einer Perspektivansicht, wobei die Perspektivansicht aus 4 gegenüber der Perspektivansicht aus 3 gedreht ist. Die Modulhighside 13 und die Modullowside 15 des Halbbrückenmoduls 10 umfassen jeweils mehrere, hier rein beispielhaft sechs, parallelgeschaltete erste Halbleiterschaltelemente 12 (siehe 3) bzw. zweite Halbleiterschaltelemente 14 (siehe 4). Die ersten Halbleiterschaltelemente 12 sind auf der oberen Hauptseite 182 des Kühlkörpers 18 angeordnet (siehe 3), wobei die zweiten Halbleiterschaltelemente 14 auf der unteren Hauptseite 184 des Kühlkörpers 18 angeordnet sind (siehe 4). Der Kühlkörper 18 ist hier beispielhaft quaderförmig ausgebildet und weist neben den beiden einander gegenüberliegenden Hauptseiten 182, 184 noch zwei ebenfalls einander gegenüberliegende erste Nebenseiten 186, 188. Außerdem weist der Kühlkörper 18 eine zweite Nebenseite 187 und eine der zweiten Nebenseite 187 gegenüberliegende dritte Nebenseite 189 auf. Zwecks elektrischer Potentialtrennung ist der Kühlkörper 18 an den beiden Hauptseiten 182, 184 und der zweiten Nebenseite 187 mit der kunststoffbasierten Isolierschicht 21 beschichtet bzw. überzogen. Die kunststoffbasierte Isolierschicht 21 dient gleichzeitig als Verbindungsmittel, um eine pluspolige DC-Stromschiene 223 auf der der Modulhighside 13 zugeordneten Hauptseite 182 zu befestigen (siehe 3) und eine minuspolige DC-Stromschiene 225 auf der der Modullowside 15 zugeordneten Hauptseite 184 zu befestigen (siehe 4). Ein pluspoliger DC-Stromanschluss 222 erstreckt sich von der pluspoligen DC-Stromschiene 223 seitlich nach außen und ragen aus der stromisolierenden Verkleidung 20 heraus, die hier beispielhaft als Vergussmasse ausgebildet ist. Ein minuspoliger DC-Stromanschluss 224 erstreckt sich von der minuspoligen DC-Stromschiene 225 seitlich nach außen und ragen aus der stromisolierenden Vergussmasse 20 heraus. Dies ermöglicht eine DC- bzw. eingangsseitigen Kontaktierung der Halbleiterschaltelemente 12, 14 von außen, um einen DC-Strom in die Halbleiterschaltelemente 12, 14 einzuspeisen.
  • Die ersten Halbleiterschaltelemente 12 sind auf der pluspoligen DC-Stromschiene 223 angebracht. Dies erfolgt vorzugsweise durch Sintern, Löten oder Schweißen (bspw. Laserschweißen). Somit werden die pluspoligen Stromelektroden (Source) der ersten Halbleiterschaltelemente 12 stromeingangsseitig mit dem pluspoligen DC-Stromanschluss 222 elektrisch verbunden. Obwohl hier nicht gezeigt, sind die minuspoligen Stromelektroden (Drain) der ersten Halbleiterschaltelemente 12 stromausgangsseitig mit einem AC-Stromanschluss 24 elektrisch verbunden, der in 4 schematisch und beispielhaft gezeigt ist. Diese elektrische Verbindung zwischen den minuspoligen Stromelektroden (Drain) der ersten Halbleiterschaltelemente 12 und dem AC-Stromanschluss 24 erfolgt vorzugsweise mittels Drahtbonden. Mehrere, hier beispielhaft zwei, Signalpins 26 zum Einprägen von Steuersignalen in die Steueranschlüsse (Gate) der ersten Halbleiterschaltelemente 12 sind ebenfalls auf der der Modulhighside 13 zugeordneten Hauptseite 182 des Kühlkörpers 18 angeordnet, derart, dass sich diese senkrecht nach oben aus der stromisolierenden Verkleidung bzw. Vergussmasse 20 herauserstrecken, um eine Kontaktierung dieser Signalpins 26 von außen zu ermöglichen.
  • Der AC-Stromanschluss 24 erstreckt sich aus einer AC-Stromschiene 25 nach oben und ragen aus der stromisolierenden Vergussmasse 20 heraus. Die AC-Stromschiene 25 umfasst zwei Abschnitte 252, 254, von denen ein erster Abschnitt 252 auf der zweiten Nebenseite 187 des Kühlkörpers 18 angeordnet und über die kunststoffbasierte Isolierschicht 21 mit diesem verbunden und thermisch gekoppelt ist. Ein zweiter Abschnitt 254 ist auf der der Modullowside 15 zugeordneten Hauptseite 184 des Kühlkörpers 18 angeordnet und ebenfalls über die kunststoffbasierte Isolierschicht 21 mit diesem verbunden und thermisch gekoppelt. Die beiden Abschnitte 252, 254 bilden eine Biegung der gesamten AC-Stromschiene 25 um einen Winkel, der hier beispielhaft ein Rechtwinkel entsprechend den beiden Seiten 187, 184 des quaderförmigen Kühlkörpers 18 ist. Dies ist jedoch für die vorliegende Erfindung keineswegs einschränkend. Wenn der Kühlkörper 18 eine andere geometrische Form annimmt, sodass die Hauptseite 184 einen anderen Winkel mit der zweiten Nebenseite 187 einschließen, kann eine entsprechend andnere Biegung der AC-Stromschiene 25 vorgesehen werden. Die zweiten Halbleiterschaltelemente 14 sind zwischen derAC-Stromschiene 25 und der minuspoligen DC-Stromschiene 225 befestigt, was vorzugsweise durch Sintern, Löten oder Schweißen (bspw. Laserschwei-ßen) erfolgt. Auf diese Weise sind, obwohl hier nicht gezeigt, die pluspoligen Stromelektroden (Source) der zweiten Halbleiterschaltelemente 14 stromausgangsseitig mit dem AC-Stromanschluss 24 elektrisch verbunden, wobei die minuspoligen Stromelektroden (Drain) der zweiten Halbleiterschaltelemente 14 stromeingangsseitig mit dem minuspoligen DC-Stromanschluss 224 elektrisch verbunden sind. Auch hier sind mehrere, hier beispielhaft zwei, Signalpins 26 zum Einprägen von Steuersignalen in die Steueranschlüsse (Gate) der zweiten Halbleiterschaltelemente 14 auf der der Modullowside 15 zugeordneten Hauptseite 184 des Kühlkörpers 18 angeordnet, derart, dass sich diese senkrecht nach oben aus der stromisolierenden Verkleidung bzw. Vergussmasse 20 herauserstrecken, um eine Kontaktierung dieser Signalpins 26 von außen zu ermöglichen.
  • Der Kühlkörper 18 weist ferner einen Kühlmedienzufluss 192 zum Zuführen des Kühlmediums (etwa Wasser) und einen Kühlmedienabfluss 194 zum Abführen des Kühlmediums, nachdem das Kühlmedium bereits Wärme aus den Halbleiterschaltelementen 12, 14, den Stromschienen 223, 225, 25 sowie den Stromanschlüssen 222, 224, 24 entzogen hat. Der Kühlmedienzufluss 192 und der Kühlmedienabfluss 194 sind hier beispielhaft auf der dritten Nebenseite 189 des Kühlkörpers 18 angeordnet und ragen aus der stromisolierenden Vergussmasse 20 heraus, um an eine modulübergreifende Kühlmedienleitung angeschlossen zu werden.
  • Das Halbbrückenmodul 10 gemäß der vorliegenden Erfindung kann bereits als eine Phase von mehreren Phasen für die Leistungselektronik eines mehrphasigen Stromrichters fungieren. Alternativ können mehrere Halbbrückenmodule 10 kombiniert werden, um zusammen eine Phase der Leistungselektronik zu bilden. In diesem werden die Modulhighsides 13 der verschiedenen Halbbrückenmodule 10 parallelgeschaltet und bilden zusammen die Highside der gesamten Phase, wobei auch die Modullowsides 15 der verschiedenen Halbbrückenmodule 10 parallelgeschaltet werden und zusammen die Lowside der gesamten Phase bilden. Der Kühlkörper 18 ist erfindungsgemäß daher ebenfalls modular ausgebildet, was das Kombinieren der Halbbrückenmodule 10 je nach Leistungsanforderung des zu bestromenden elektrischen Achsantriebs bei einer gleichzeitig kompakteren Bauweise erleichtert und ein effizienteres Kühlen der gesamten Leistungselektronik ermöglicht.
  • Bezugszeichen
    • 10
    Halbbrückenmodul
    11
    Halbbrückenschaltung
    12
    erste Halbleiterschaltelemente
    112, 13
    Modulhighside
    14
    zweite Halbleiterschaltelemente
    114, 15
    Modullowside
    18
    Kühlkörper
    182, 184
    Hauptseiten
    186, 188
    erste Nebenseiten
    187
    zweite Nebenseite
    189
    dritte Nebenseite
    19
    Kühlmedienanschluss
    192
    Kühlmedienzufluss
    194
    Kühlmedienabfluss
    20
    stromisolierende Verkleidung/Vergussmasse
    21
    kunststoffbasierte Isolierschicht
    113, 222
    pluspoliger DC-Stromanschluss
    223
    pluspolige DC-Stromschiene
    117, 224
    minuspoliger DC-Stromanschluss
    225
    minuspolige DC-Stromschiene
    115, 24
    AC-Stromanschluss
    25
    AC-Stromschiene
    252
    erster Abschnitt
    254
    zweiter Abschnitt
    26
    Signalpin

Claims (11)

  1. Halbbrückenmodul (10) für einen Stromrichter zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug, umfassend eine Modulhighside (13) und eine Modullowside (15), die zusammen eine Halbbrücke bilden, wobei die Modulhighside (13) und die Modullowside (15) jeweils ein oder mehrere Halbleiterschaltelemente (12, 14) zum Erzeugen eines Ausgangsstroms basierend auf einem von einer Spannungsquelle bereitgestellten Eingangsstrom mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente (12, 14) umfassen, weiter umfassend einen Kühlkörper (18), wobei die Modulhighside (13) und die Modullowside (15) auf zwei einander gegenüberliegenden Hauptseiten (182, 184) des Kühlkörpers (18) angeordnet und mit dem Kühlkörper (18) doppelseitig thermisch gekoppelt sind, weiter umfassend eine stromisolierende Verkleidung (20), die die Modulhighside (13), die Modullowside (15) und den Kühlkörper (18) umschhließt.
  2. Halbbrückenmodul (10) nach Anspruch 1, wobei der Kühlkörper (18) eine erste Nebenseite (186, 188) aufweist, die zu den Hauptseiten (182, 184) senkrecht steht, wobei ein DC-Stromeingang (22) auf der ersten Nebenseite (186, 188) angeordnet ist, vorzugsweise aus der stromisolierenden Verkleidung (20) herausragt.
  3. Halbbrückenmodul (10) nach Anspruch 2, wobei sich ein minuspoliger DC-Stromanschluss (224) des DC-Stromeingangs (22) aus einer minuspoligen DC-Stromschiene (225) nach außen erstreckt, wobei die Halbleiterschaltelemente (12) der Modullowside (15) zwischen einer AC-Stromschiene (25) und der minuspoligen DC-Stromschiene (225) angeordnet sind.
  4. Halbbrückenmodul (10) nach Anspruch 3, wobei die AC-Stromschiene (25) derart gebogen ist, dass ein erster Abschnitt (252) der AC-Stromschiene (25), der sich von einem auf einer der Modullowside (15) zugeordneten Hauptseite (182) angeordneten zweiten Abschnitt (254) der AC-Stromschiene (25) erstreckt, auf einer zu den Hauptseiten (182, 184) senkrecht stehenden zweiten Nebenseite (187) des Kühlkörpers (18) angeordet ist.
  5. Halbbrückenmodul (10) nach Anspruch 4, wobei ein AC-Stromanschluss (24) auf dem ersten Abschnitt (252) angebracht ist und vorzugsweise aus der stromisolierenden Verkleidung (20) herausragt.
  6. Halbbrückenmodul (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei sich ein pluspoliger DC-Stromanschluss (222) des DC-Stromeingangs (22) aus einer pluspoligen DC-Stromschiene (223) nach außen erstreckt, wobei die Halbleiterschaltelemente (14) der Modulhighside (13) auf der pluspoligen DC-Stromschiene (223) angeordnet sind.
  7. Halbbrückenmodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Kühlmedienzufluss (192) und/oder ein Kühlmedienabfluss (194) auf einer zu den Hauptseiten (182, 184) senkrecht stehenden dritten Nebenseite (189) des Kühlkörpers (18) angeordnet sind.
  8. Halbbrückenmodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine kunststoffbasierte Isolierschicht (21) auf den Hauptseiten (182, 184) jeweils angebracht ist, sodass die Halbleiterschaltelemente (12, 14) vom Kühlkörper (18) potentialgetrennt sind.
  9. Stromrichter, insbesondere Wechselrichter, zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug, umfassend ein oder mehrere Halbbrückenmodule (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
  10. Elektrischer Achsantrieb für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, umfassend eine E-Maschine, eine Getriebeeinrichtung und einen Stromrichter, insbesondere einen Wechselrichter, nach Anspruch 9.
  11. Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, umfassend einen elektrischen Achsantrieb nach Anspruch 10.
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