DE102022208190A1

DE102022208190A1 - Inverter with symmetrical structure

Info

Publication number: DE102022208190A1
Application number: DE102022208190.0A
Authority: DE
Inventors: Pengshuai Wang; Wei Liu
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-08-05
Filing date: 2022-08-05
Publication date: 2024-02-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungselektronik (10) für einen Wechselrichter zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug, umfassend: drei AC-Leistungsanschlüsse (140a-c) mit jeweils einem Leistungsmodul (40a-c), wobei jedes Leistungsmodul (40a-c) mehrere Halbleiterschaltelemente (42a-c) zum Einspeisen eines DC-Eingangsstroms und zum Erzeugen eines AC-Ausgangsstroms basierend auf dem eingespeisten DC-Eingangsstrom mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente (42a-c) umfasst, wobei die AC-Leistungsanschlüsse (140a-c) und die Leistungsmodule (40a-c) in Form eines gleichschenkligen Dreiecks angeordnet sind.The present invention relates to power electronics (10) for an inverter for powering an electric axle drive in an electric vehicle and/or a hybrid vehicle, comprising: three AC power connections (140a-c), each with a power module (40a-c), each power module (40a-c) comprises a plurality of semiconductor switching elements (42a-c) for feeding in a DC input current and for generating an AC output current based on the fed DC input current by switching the semiconductor switching elements (42a-c), wherein the AC power connections (140a -c) and the power modules (40a-c) are arranged in the form of an isosceles triangle.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronik für einen Wechselrichter zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug. Außerdem betrifft die Erfindung einen Wechselrichter mit einer solchen Leistungselektronik, einen elektrischen Achsantrieb mit einer solchen Leistungselektronik und ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb.The invention relates to power electronics for an inverter for energizing an electric axle drive in an electric vehicle and/or a hybrid vehicle. The invention also relates to an inverter with such power electronics, an electric axle drive with such power electronics and a vehicle with such an electric axle drive.

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.Pure electric vehicles and hybrid vehicles are known in the prior art, which are driven exclusively or supported by one or more electric machines as drive units. In order to supply the electrical machines of such electric vehicles or hybrid vehicles with electrical energy, the electric vehicles and hybrid vehicles include electrical energy storage devices, in particular rechargeable electric batteries. These batteries are designed as DC voltage sources, but the electrical machines usually require an AC voltage. Therefore, power electronics with a so-called inverter are usually connected between a battery and an electric machine (e-machine) of an electric vehicle or a hybrid vehicle.

Derartige Wechselrichter umfassen üblicherweise eine Leistungselektronik mit mehreren Halbleiterschaltelementen, 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.Such inverters usually include power electronics with several semiconductor switching elements, which are typically formed from transistors, such as MOSFETs or IGBTs. It is known to design the semiconductor switching elements as so-called half-bridges, which have a high-side device and a low-side device. This high-side or low-side device comprises one or more semiconductor switching elements connected in parallel, which are specifically controlled during operation of the inverter in order to generate a plurality of phase currents of an AC current that are offset from one another in time from a DC current fed in on the input side of the half bridges, the phase currents each are themselves variable over time and generally take a sinusoidal course.

Die Halbleiterschaltelemente sind vorzugsweise Transistoren wie MOSFETs oder IGBTs und weisen jeweils Elektroden zum Beaufschlagen des jeweiligen Halbleiterschaltelements mit einem Schalterstrom (Stromelektroden) sowie zum Einprägen eines Schaltsignals (Steuerelektrode), um den Schalterstrom durchzulassen bzw. zu sperren. Zur Übertragung des Schaltsignals werden Signalpins verwendet, die einerseits mit der Steuerelektrode und andererseits mit einer Treibereinrichtung verbunden sind, die eine mit Treiberbauteilen bestückte Leiterplatte umfasst.The semiconductor switching elements are preferably transistors such as MOSFETs or IGBTs and each have electrodes for applying a switch current (current electrodes) to the respective semiconductor switching element and for impressing a switching signal (control electrode) in order to pass or block the switch current. Signal pins are used to transmit the switching signal, which are connected on the one hand to the control electrode and on the other hand to a driver device which includes a circuit board equipped with driver components.

Es ist bekannt, dass eine Leistungselektronik mehrere Leistungsanschlüsse zum Einspeisen des Eingangsstroms in die Halbleiterschaltelemente und zum Abgreifen bzw. Abgeben des Ausgangsstroms, aufweist. 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 Leistungselektronik umfasst mehrere Signalpins zum Übertragen von Steuersignalen, die von einer Steuereinrichtung des Stromrichters erzeugt sind und zum Ansteuern der Halbleiterschaltelemente an die Steuerelektrode (z.B. Gate-Elektrode) gesendet werden. Es ist weiterhin bekannt, dass in Stromrichtern bzw. Wechselrichtern eine eigens entwickelte Leistungselektronik mit einer möglichst hohen Anzahl von parallelgeschalteten Halbleiterschaltelemente benötigt wird, um Leistungsmodule mit hoher Leistungsfähigkeit zu erhalten.It is known that power electronics has a plurality of power connections for feeding the input current into the semiconductor switching elements and for tapping or delivering the output current. In the case of the inverter, the power connections include DC power connections and AC power connections. The DC power connections in turn include one or more positive-pole and negative-pole DC power connections. The AC power connections are assigned to a common AC phase current or to one of several AC phase currents of the total AC current. The power electronics includes a plurality of signal pins for transmitting control signals that are generated by a control device of the power converter and are sent to the control electrode (e.g. gate electrode) to control the semiconductor switching elements. It is also known that power converters or inverters require specially developed power electronics with the highest possible number of semiconductor switching elements connected in parallel in order to obtain power modules with high performance.

Da die Strompfade für die Leistungsanschlüsse aufgrund der vorgegebenen Größe eines Halbbrückenmoduls zwingend in der Nähe der Strompfade der Signalpins angeordnet sind, werden dort Magnetfelder erzeugt, welche ungewollt Ströme bzw. Spannungen in den Signalpins und Leistungsanschlüssen bzw. in die Strompfade für die Signalpins und Leistungsanschlüsse induzieren. Dies bewirkt wiederum eine schlechtere Schaltbarkeit bzw. Gatekontrolle der Leistungshalbleiter. Ein weiterer Nachteil besteht in der Schwierigkeit stromführende Komponenten, insbesondere Zwischenkreiskondensatoren, ausreichend zu kühlen. Darüber hinaus benötigt eine Leistungselektronik eine Vielzahl von Komponenten und ist aufgrund ihres Aufbaus nur schwierig in eine E-Maschine platzsparend zu integrieren.Since the current paths for the power connections are necessarily arranged close to the current paths of the signal pins due to the specified size of a half-bridge module, magnetic fields are generated there, which undesirably induce currents or voltages in the signal pins and power connections or in the current paths for the signal pins and power connections . This in turn causes poorer switchability or gate control of the power semiconductors. Another disadvantage is the difficulty of sufficiently cooling current-carrying components, especially intermediate circuit capacitors. In addition, power electronics require a large number of components and, due to their structure, are difficult to integrate into an electric machine in a space-saving manner.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Leistungselektronik bereitzustellen, um die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise zu beheben. It is an object of the invention to provide power electronics in order to at least partially eliminate the disadvantages mentioned above.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Leistungselektronik für einen Wechselrichter, den Wechselrichter, den elektrischen Achsantrieb sowie das Fahrzeug gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.This object is achieved according to the invention by the power electronics for an inverter, the inverter, the electric axle drive and the vehicle according to the independent patent claims. Advantageous refinements and further developments of the invention emerge from the dependent patent claims.

Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronik für einen Wechselrichter zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug. Die Leistungselektronik umfasst hierbei drei AC-Leistungsanschlüsse mit jeweils einem Leistungsmodul, wobei jedes Leistungsmodul mehrere Halbleiterschaltelemente zum Einspeisen eines DC-Eingangstroms und zum Erzeugen eines AC-Ausgangsstroms basierend auf dem eingespeisten DC-Eingangsstrom mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente umfasst. Die drei AC-Leistungsanschlüsse sind dabei in Form eines gleichschenkligen Dreiecks angeordnet.The invention relates to power electronics for an inverter for energizing an electric axle drive in an electric vehicle and/or a hybrid vehicle. The power elect ronik includes three AC power connections, each with a power module, each power module comprising a plurality of semiconductor switching elements for feeding in a DC input current and for generating an AC output current based on the fed in DC input current by switching the semiconductor switching elements. The three AC power connections are arranged in the shape of an isosceles triangle.

Die AC-Leistungsanschlüsse dienen vorzugsweise zum Abgreifen der drei Phasenströme, die zusammen den AC-Ausgangsstrom des Wechselrichters bilden. Dabei sind die AC-Leistungsanschlüsse jeweils einem der mehreren Phasen des mehrphasigen Wechselrichters zugeordnet. Ebenfalls vorzugsweise weist die Spitze des gleichschenkligen Dreieck einen Winkel von 85° bis 100° auf. Mehr bevorzugt sind die AC-Leistungsanschlüsse in Form eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet. Alternativ sind die AC-Leistungsanschlüsse und die Leistungsmodule jeweils in Form eines gleichschenkligen, vorzugsweise eines gleichseitigen, Dreiecks angeordnet, wobei die AC-Leistungsanschlüsse von dem Mittelpunkt des Dreiecks weiter entfernt als die Leistungsmodule angeordnet sind. Vorzugsweise sind dabei die Seiten der Dreiecke jeweils parallel zueinander angeordnet. Mehr bevorzugt sind die die AC-Leistungsanschlüsse und die Leistungsmodule jeweils in Form eines gleichschenkligen, insbesondere eines gleichseitigen, Dreiecks angeordnet, wobei diese Dreiecke parallel zueinander derart verschoben sind, dass zugehörige AC-Leistungsanschlüsse und die Leistungsmodule jeweils über eine Flächennormale verbunden werden können. Weiter bevorzugt umfassen die AC-Leistungsanschlüsse drei AC-Leistungsanschlüsse, die jeweils einem der drei Phasen des dreiphasigen Wechselrichters zugeordnet sind. An die AC-Leistungsanschlüsse können elektrische Traktionsenergie übertragende Leistungsleistungen angeschlossen werden.The AC power connections are preferably used to tap the three phase currents, which together form the AC output current of the inverter. The AC power connections are each assigned to one of the several phases of the multi-phase inverter. Also preferably, the tip of the isosceles triangle has an angle of 85° to 100°. More preferably, the AC power connections are arranged in the form of an equilateral triangle. Alternatively, the AC power connections and the power modules are each arranged in the form of an isosceles, preferably an equilateral, triangle, with the AC power connections being arranged further away from the center of the triangle than the power modules. The sides of the triangles are preferably arranged parallel to one another. More preferably, the AC power connections and the power modules are each arranged in the form of an isosceles, in particular an equilateral, triangle, these triangles being shifted parallel to one another in such a way that associated AC power connections and the power modules can each be connected via a surface normal. More preferably, the AC power connections include three AC power connections, each of which is assigned to one of the three phases of the three-phase inverter. Power services that transmit electrical traction energy can be connected to the AC power connections.

Auf diese Weise kann die Leistungselektronik für einen Wechselrichter symmetrisch derart aufgebaut werden, dass die zu den AC-Leistungsanschlüssen führenden oder von diesen wegführenden Strompfade einen möglichst hohen Abstand zueinander aufweisen. Dies ermöglicht eine gleichmäßigere Stromverteilung mit einhergehender optimierter elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) und Wärmeverteilung. Weiterhin kann die Induktion ungewollter Ströme bzw. Spannungen, insbesondere in den AC-Leistungsanschlüssen und Signalpins, verringert werden. Entsprechend kann auch eine unerwünschte Beeinflussung des Schaltzustands der Halbleiterschaltelemente reduziert bzw. sogar vollständig vermieden werden. Somit werden die bereitgestellten Wechselspannungen bzw. Wechselströme zuverlässiger und präziser bereitgestellt.In this way, the power electronics for an inverter can be constructed symmetrically in such a way that the current paths leading to or away from the AC power connections are as far apart as possible from one another. This enables more even power distribution with the associated optimized electromagnetic compatibility (EMC) and heat distribution. Furthermore, the induction of unwanted currents or voltages, especially in the AC power connections and signal pins, can be reduced. Accordingly, undesirable influences on the switching state of the semiconductor switching elements can also be reduced or even completely avoided. The alternating voltages or alternating currents provided are thus provided more reliably and precisely.

Ferner können die Zwischenkreiskondensatoren in der Nähe oder unmittelbar angrenzend an die Leistungsmodule angeordnet werden, wodurch die Länge der Stromschienen verringert oder ggf. auf die Verwendung von Stromschienen verzichtet werden kann. Insgesamt kann die Anzahl an Komponenten verringert werden, wodurch der Wechselrichter wartungsärmer, störunanfälliger und kostengünstiger wird. Der Wechselrichter kann außerdem kompakter/platzsparender aufgebaut werden. Die Zwischenkreiskondensatoren können besser gekühlt werden, so können die Komponenten, insbesondere die Leistungsmodule und Zwischenkreismodule, auf ein Substrat aufgebracht werden, welche in Gänze oder an bestimmten Oberbereichen, insbesondere angrenzend an die Leistungsmodule und Zwischenkreismodule, gekühlt wird. Der Anschluss des Wechselrichters an und/oder dessen Einbau in eine E-Maschine, vorzugsweise eine elektrische Traktionsmaschine, wird vereinfacht.Furthermore, the intermediate circuit capacitors can be arranged near or immediately adjacent to the power modules, whereby the length of the busbars can be reduced or the use of busbars can be dispensed with if necessary. Overall, the number of components can be reduced, making the inverter less maintenance, less prone to failure and more cost-effective. The inverter can also be designed to be more compact/space-saving. The intermediate circuit capacitors can be cooled better, so the components, in particular the power modules and intermediate circuit modules, can be applied to a substrate, which is cooled in its entirety or in certain upper areas, in particular adjacent to the power modules and intermediate circuit modules. The connection of the inverter to and/or its installation in an electric machine, preferably an electric traction machine, is simplified.

Die Anordnung der mehreren Halbleiterschaltelemente in Leistungsmodule erleichtert ferner den modularen Aufbau der Leistungselektronik, bspw. im Hinblick auf die einer E-Maschine zuzuführenden Stromstärke.The arrangement of the several semiconductor switching elements in power modules also facilitates the modular design of the power electronics, for example with regard to the current strength to be supplied to an electric machine.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Leistungselektronik ferner drei Zwischenkreiskondensatormodule mit einem Kondensatoreingang, vorzugsweise einem DC-Kondensatoreingang, zum Anschließen einer Spannungsquelle und einem Kondensatorausgang zum Einspeisen des Eingangsstroms, vorzugsweise DC-Eingangsstroms, in die mehreren Halbleiterschaltelemente auf. Die Zwischenkreiskondensatormodule weisen jeweils einen oder mehrere Zwischenkreiskondensatoren auf. Weiterhin ist der Kondensatoreingang auf einer Geraden angeordnet, welche die Basismitte und den Mittelpunkt des gleichschenkligen Dreiecks schneidet. Vorzugsweise liegen die AC-Leistungsanschlüsse und der Kondensatoreingang auf einer gemeinsamen Kreislinie. Die Anordnung der der mehreren Zwischenkreiskondensatoren in Zwischenkreiskondensatormodule erleichtert den modularen Aufbau der Leistungselektronik, bspw. im Hinblick auf die einer E-Maschine zuzuführende Stromstärke. Die Anordnung des Kondensatoreingangs, vorzugsweise DC-Eingangs, auf einer Geraden, welche die Basismitte und den Mittelpunkt des gleichschenkligen Dreiecks schneidet, ermöglicht eine maximale Beabstandung des Kondensatoreingangs von den Phaseneingängen, ohne dabei die Kühlplatte, auf welcher die Komponenten über vorzugsweise eine erste und/oder zweite Verbindungsfolie, insbesondere eine erste und/oder zweite Wärmeleitfolie, aufgebracht sind, unnötig zu vergrößern. Dadurch kann die Stromverteilung, elektromagnetische Verträglichkeit und Wärmeverteilung weiter verbessert werden. Die Induktion ungewollter Ströme bzw. Spannungen, insbesondere in den AC-Leistungsanschlüssen und Signalpins, kann ebenfalls verringert und die Wechselspannungen bzw. Wechselströme können zuverlässiger und präziser bereitgestellt werden.According to one embodiment, the power electronics further has three intermediate circuit capacitor modules with a capacitor input, preferably a DC capacitor input, for connecting a voltage source and a capacitor output for feeding the input current, preferably DC input current, into the plurality of semiconductor switching elements. The intermediate circuit capacitor modules each have one or more intermediate circuit capacitors. Furthermore, the capacitor input is arranged on a straight line that intersects the base center and the center of the isosceles triangle. Preferably, the AC power connections and the capacitor input lie on a common circular line. The arrangement of the several intermediate circuit capacitors in intermediate circuit capacitor modules facilitates the modular design of the power electronics, for example with regard to the current strength to be supplied to an electric machine. The arrangement of the capacitor input, preferably DC input, on a straight line which intersects the center of the base and the center of the isosceles triangle enables a maximum spacing of the capacitor input from the phase inputs, without affecting the cooling plate on which the components are preferably via a first and/or or second connecting film, in particular a first and / or second heat-conducting film, are applied, to be enlarged unnecessarily. This can further improve power distribution, electromagnetic compatibility and heat distribution. The induction of unwanted Currents or voltages, particularly in the AC power connections and signal pins, can also be reduced and the alternating voltages or currents can be provided more reliably and precisely.

Gemäß einer Ausführungsform sind die AC-Leistungsanschlüsse in Form eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet, vorzugsweise wobei die drei AC-Leistungsanschlüsse und der Kondensatoreingang um den Mittelpunkt des gleichseitigen Dreiecks kreisförmig angeordnet sind. Mithin liegen die AC-Leistungsanschlüsse und der Kondensatoreingang auf der gleichen Kreislinie, wobei die AC-Leistungsanschlüsse in einem Winkel von jeweils 120° voneinander und der Kondensatoreingang zwischen zwei (beliebigen) AC-Leistungsanschlüssen den 120° Winkel winkelhalbierend vorliegt. Dadurch kann ein größtmöglicher Abstand zwischen den Leistungsanschlüssen gewährleistet werden, wodurch induktive Effekte verringert bzw. vermieden werden können. Ein weiter Vorteil liegt darin, dass die Leistungselektronik kreisförmig ausgebildet und platzsparend um bspw. eine gemeinsame Achse, bspw. und insbesondere einen Rotor einer E-Maschine, angeordnet werden kann. Weiterhin kann ebenso ein ausreichend hoher Abstand zu dem Kondensatoreingang erreicht werden, insbesondere wenn die drei AC-Leistungsanschlüsse in einer ersten Ebene (im Folgenden die Kühlplatte) um den Kreismittelpunkt liegen und der Kondensatoreingang in einer von der ersten Ebene beabstandeten zweiten Ebene (im Folgenden die Leiterplatte) liegt.According to one embodiment, the AC power connections are arranged in the form of an equilateral triangle, preferably wherein the three AC power connections and the capacitor input are arranged in a circle around the center of the equilateral triangle. The AC power connections and the capacitor input are therefore located on the same circular line, with the AC power connections at an angle of 120° from each other and the capacitor input between two (any) AC power connections bisecting the 120° angle. This ensures the greatest possible distance between the power connections, which means that inductive effects can be reduced or avoided. A further advantage is that the power electronics can be designed to be circular and can be arranged in a space-saving manner around, for example, a common axis, for example and in particular a rotor of an electric machine. Furthermore, a sufficiently high distance from the capacitor input can also be achieved, in particular if the three AC power connections are located in a first level (hereinafter the cooling plate) around the center of the circle and the capacitor input is in a second level spaced from the first level (hereinafter the circuit board).

Gemäß einer Ausführungsform weist die Leistungselektronik ferner eine Kühlplatte mit einer ersten Verbindungsfolie, welche zwischen der Kühlplatte und den mehreren Halbleiterschaltelementen angeordnet ist, und/oder einer zweiten Verbindungsfolie auf, welche zwischen der Kühlplatte und den drei Zwischenkreiskondensatormodulen angeordnet ist. Vorzugsweise ist die erste Verbindungsfolie eine Wärmeleitfolie und/oder die zweite Verbindungsfolie eine Wärmeleitfolie. Mehr bevorzugt ist die erste und/oder die zweite Wärmeleitfolie elektrisch isolierend ausgebildet. Die Kühlplatte ist geeigneterweise kreisförmig ausgebildet. Insbesondere kann die erste Verbindungsfolie lediglich zwischen der Kühlplatte und den mehreren Halbleiterschaltelementen angeordnet sein und die zweite Verbindungsfolie lediglich zwischen der Kühlplatte und den drei Zwischenkreiskondensatormodulen angeordnet sein. Die erste und zweite Verbindungsfolie fungieren dabei zur Befestigung der jeweiligen Komponenten an der Kühlplatte und stellen vorzugsweise eine ausreichende Wärmeabfuhr von den Komponenten und ggf. eine elektrische Isolation der Komponenten gegenüber der Kühlplatte bereit. Die Kühlplatte kann ebenfalls teilweise, bspw. angrenzend an die erste und/oder zweite Verbindungsfolie, oder gänzlich als wärmleitende Platte ausgebildet sein, um Wärme von der Leistungselektronik, bspw. an eine Kühlvorrichtung, abzuführen und diese zu kühlen. Alternativ kann die Kühlplatte eine Kühlvorrichtung umfassen. Unterhalb der Kühlplatte kann eine Pin-Fin-Struktur angeordnet sein, um die Kontaktfläche zwischen der Kühlvorrichtung zu vergrößern, die die Kühlplatte und die Pin-Fin-Struktur vorzugsweise umfasst.According to one embodiment, the power electronics further has a cooling plate with a first connecting film, which is arranged between the cooling plate and the plurality of semiconductor switching elements, and / or a second connecting film, which is arranged between the cooling plate and the three intermediate circuit capacitor modules. Preferably, the first connecting film is a heat-conducting film and/or the second connecting film is a heat-conducting film. More preferably, the first and/or the second heat-conducting foil is designed to be electrically insulating. The cooling plate is suitably circular. In particular, the first connecting film can only be arranged between the cooling plate and the plurality of semiconductor switching elements and the second connecting film can only be arranged between the cooling plate and the three intermediate circuit capacitor modules. The first and second connecting films function to fasten the respective components to the cooling plate and preferably provide sufficient heat dissipation from the components and, if necessary, electrical insulation of the components from the cooling plate. The cooling plate can also be designed partially, for example adjacent to the first and/or second connecting film, or entirely as a heat-conducting plate in order to dissipate heat from the power electronics, for example to a cooling device, and to cool it. Alternatively, the cooling plate may comprise a cooling device. A pin-fin structure can be arranged below the cooling plate in order to increase the contact area between the cooling device, which preferably includes the cooling plate and the pin-fin structure.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Kühlplatte eine erste Durchgangsöffnung auf, wobei die erste Durchgangsöffnung zur Aufnahme eines Rotors einer E-Maschine ausgebildet ist, wobei die Leistungsmodule auf der Kühlplatte derart angeordnet sind, dass die erste Durchgangsöffnung einen Mittelpunkt des gleichschenkligen Dreiecks bildet, vorzugsweise wobei die Kühlplatte kreisförmig ausgebildet ist. Die E-Maschine kann bspw. als Synchronmaschine oder Asynchronmaschine, vorzugsweise Synchronmaschine, ausgebildet sein. Von Vorteil ist, dass die Leistungselektronik platzsparend an einer E-Maschine angebracht werden kann. Weiterhin können die AC-Leistungsanschlüsse über vergleichsweise kurze Strompfade/Leitungen mit dem Stator der E-Maschine verbunden werden. Bspw. und vorzugsweise können die Abmessungen einer Seitenfläche der E-Maschine, durch welche der Rotor verläuft, den Abmessungen der Kühlplatte entsprechen, mehr bevorzugt ist die Seitenfläche der E-Maschine, durch welche der Rotor verläuft, als die Kühlplatte der Leistungselektronik ausgebildet.According to one embodiment, the cooling plate has a first through-opening, wherein the first through-opening is designed to accommodate a rotor of an electric machine, wherein the power modules are arranged on the cooling plate in such a way that the first through-opening forms a center of the isosceles triangle, preferably wherein the Cooling plate is circular. The electric machine can be designed, for example, as a synchronous machine or asynchronous machine, preferably a synchronous machine. The advantage is that the power electronics can be attached to an electric machine to save space. Furthermore, the AC power connections can be connected to the stator of the electric machine via comparatively short current paths/cables. For example and preferably, the dimensions of a side surface of the electric machine, through which the rotor runs, can correspond to the dimensions of the cooling plate; more preferably, the side surface of the electric machine, through which the rotor runs, is designed as the cooling plate of the power electronics.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Leistungselektronik ferner eine Leiterplatte mit einer zweiten Durchgangsöffnung auf, die zur Aufnahme des Rotors ausgebildet ist. Die AC-Leistungsanschlüsse sind an der Kühlplatte derart angeordnet, dass die zweite Durchgangsöffnung den Mittelpunkt des gleichschenkligen Dreiecks bildet, wobei die Leistungsmodule zwischen der Leiterplatte und der Kühlplatte angeordnet sind, vorzugsweise wobei die AC-Leistungsanschlüsse durch die Leiterplatte von den Leistungsmodulen und Zwischenkreiskondensatormodulen getrennt sind, mehr bevorzugt wobei die Leiterplatte kreisförmig ausgebildet ist Die Leiterplatte kann dabei als Leiterplatte einer Treibereinrichtung ausgebildet sein. Die Treibereinrichtung trägt dabei eine Treiberschaltung bzw. Treiberschaltungen, die zur Ansteuerung von Leistungshalbleiterschaltern in den Halbleitermodulen verwendet werden. Dadurch kann eine bessere Erreichbarkeit und Kontaktierbarkeit der Signalpins und Zwischenkreiskondensatoranschlüsse erreicht werden. Die Leiterplatte kann aus einem isolierenden Material gefertigt sein durch welches die Signalpins bzw. Anschlüsse für die Signalpins geführt werden. Dadurch werden die Leistungsmodule, Zwischenkreiskondensatormodule, und die jeweiligen Anschlüsse vor äußeren Einflüssen geschützt bzw. die Entstehung ungewollter Ströme bzw. Spannungen weiter verringert, wodurch die bereitgestellten Wechselspannungen bzw. Wechselströme zuverlässiger und präziser bereitgestellt werden. Vorzugsweise ist die Leiterplatte kreisförmig ausgebildet, wobei mehr bevorzugt, die kreisförmig ausgebildete Leiterplatte einen Radius aufweist, der einem Radius der Kühlplatte entspricht.According to one embodiment, the power electronics further has a circuit board with a second through opening, which is designed to accommodate the rotor. The AC power connections are arranged on the cooling plate in such a way that the second through opening forms the center of the isosceles triangle, with the power modules being arranged between the circuit board and the cooling plate, preferably with the AC power connections being separated from the power modules and intermediate circuit capacitor modules by the circuit board , more preferably wherein the circuit board is circular. The circuit board can be designed as a circuit board of a driver device. The driver device carries a driver circuit or driver circuits that are used to control power semiconductor switches in the semiconductor modules. This makes it easier to reach and contact the signal pins and intermediate circuit capacitor connections. The circuit board can be made of an insulating material through which the signal pins or connections for the signal pins are routed. This protects the power modules, intermediate circuit capacitor modules and the respective connections from external influences and further reduces the development of unwanted currents or voltages. whereby the alternating voltages or alternating currents provided are provided more reliably and precisely. Preferably, the circuit board is circular, with more preferably the circular circuit board having a radius that corresponds to a radius of the cooling plate.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Kondensatoreingang an der Leiterplatte angeordnet. Vorzugsweise ist der Kondensatoreingang durch die Leiterplatte von den Leistungsmodulen und Zwischenkreiskondensatormodulen getrennt. Dadurch kann sowohl eine bessere Erreichbarkeit des Kondensatoreingangs als auch dessen räumliche Trennung von anderen strom- bzw. spannungsführenden Komponenten erreicht werden, wodurch eine Beeinflussung des Schaltzustands der Halbleiterschaltelemente weiter verringert bzw. ausgeschlossen werden kann.According to one embodiment, the capacitor input is arranged on the circuit board. Preferably, the capacitor input is separated from the power modules and intermediate circuit capacitor modules by the circuit board. As a result, both better accessibility of the capacitor input and its spatial separation from other current or voltage-carrying components can be achieved, whereby an influence on the switching state of the semiconductor switching elements can be further reduced or eliminated.

Gemäß einer Ausführungsform weisen die Kühlplatte und die Leiterplatte mehrere Befestigungsöffnungen zum Befestigen der Leiterplatte an der Kühlplatte derart auf, dass die Leistungsmodule zwischen der Kühlplatte und der Leiterplatte angeordnet sind. Die Kühlplatte und/oder die Leiterplatte kann hierbei die Befestigungsöffnungen umgebende Materialvorsprünge derart aufweisen, dass eine Beabstandung der Kühlplatte von der Leiterplatte über die Materialvorsprünge bereitgestellt wird. Die Befestigung erfolgt vorzugsweise mittels Schrauben die durch die Befestigungsöffnungen geführt werden. Hierbei kann bspw. die Befestigungsöffnung der Kühlplatte mit einem passenden Gewinde für die eine oder mehreren Schrauben bereitgestellt werden. Dadurch kann der Schutz der Leistungsmodule gegenüber Umwelteinflüssen, insbesondere mechanischen Einwirkungen, sichergestellt werden.According to one embodiment, the cooling plate and the circuit board have a plurality of fastening openings for attaching the circuit board to the cooling plate such that the power modules are arranged between the cooling plate and the circuit board. The cooling plate and/or the circuit board can have material projections surrounding the fastening openings in such a way that a spacing of the cooling plate from the circuit board is provided via the material projections. Fastening is preferably carried out using screws which are passed through the fastening openings. Here, for example, the fastening opening of the cooling plate can be provided with a suitable thread for the one or more screws. This ensures that the power modules are protected against environmental influences, particularly mechanical influences.

Gemäß einer Ausführungsform weisen die Halbleiterschaltelemente jeweils Elektroden auf, wobei mehrere Signalpins jeweils mit einer der Elektroden elektrisch leitend verbunden sind und sich durch die Leiterplatte erstrecken. Die Leiterplatte kann hierbei als Leiterplatte einer Treibereinrichtung ausgebildet sein, in welche die Signalpins eingebracht werden. Nach dem Einbringen der Signalpins sind diese in der Leiterplatte formschlüssig und/oder kraftschlüssig aufgenommen, sodass eine sichere Fixierung der Signalpins und damit einhergehend eine zuverlässige Signalübertragung gewährleistet ist.According to one embodiment, the semiconductor switching elements each have electrodes, with a plurality of signal pins each being electrically conductively connected to one of the electrodes and extending through the circuit board. The circuit board can be designed as a circuit board of a driver device into which the signal pins are inserted. After the signal pins have been inserted, they are accommodated in the circuit board in a form-fitting and/or force-fitting manner, so that a secure fixation of the signal pins and, as a result, reliable signal transmission is guaranteed.

Die Erfindung betrifft weiterhin einen Stromrichter. Der Stromrichter ist vorzugsweise ein DC/AC-Wechselrichter zum Umwandeln einer DC-Spannung in eine AC-Spannung. Der Stromrichter umfasst eine Leistungselektronik mit mehreren Halbleiterschaltelementen zum Erzeugen eines Ausgangsstroms basierend auf einem von einer Spannungsquelle bereitgestellten Eingangsstrom mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente. Der Stromrichter kann mehrere, vorzugsweise drei, AC-Leistungsanschlüsse aufweisen, die jeweils einem Phasenstrom des Eingangsstroms oder des Ausgangsstroms zugeordnet sind. 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 (etwa einer Ladestation oder einer Fahrzeugbatterie/Brennstoffzelle) bereitgestellten DC-Eingangsstrom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen vom DC-Eingangsstrom verschiedenen DC-Ausgangsstrom (etwa einen Ladestrom zum Aufladen einer Hochvolt-Fahrzeugbatterie) handelt, der vorzugsweise zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie dieser zugeführt wird.The invention further relates to a power converter. The power converter is preferably a DC/AC inverter for converting a DC voltage into an AC voltage. The power converter includes power electronics with a plurality of semiconductor switching elements for generating an output current based on an input current provided by a voltage source by switching the semiconductor switching elements. The power converter can have several, preferably three, AC power connections, each of which is assigned to a phase current of the input current or the output current. In the case of an inverter, the input current is a DC current provided by a DC voltage source, and the output current is an AC current with multiple phase currents. In the case of a rectifier, the input current is a DC input current provided by a DC voltage source (such as a charging station or a vehicle battery/fuel cell), and the output current is a DC output current (such as a charging current) that is different from the DC input current for charging a high-voltage vehicle battery), which is preferably supplied to charge a vehicle battery.

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 gro-ßen Bandlücke (Engl.: Wide bandgap semiconductors, WBS), etwa Siliziumcarbid oder Galliumnitrid. Die Halbleiterschaltelemente sind 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 bevorzugt an eine Oberseite der ersten Metalllage angebunden, wobei an eine Unterseite der zweiten Metalllage ein Kühlkörper angebunden ist.The semiconductor switching elements are preferably transistors such as MOSFETs and/or IGBTs, whereby the semiconductor switching elements can additionally comprise one or more diodes. The semiconductor material on which the semiconductor switching elements are based is preferably silicon or a so-called semiconductor with a wide bandgap semiconductors (WBS), such as silicon carbide or gallium nitride. The semiconductor switching elements are mounted on a substrate. The substrate may have a multilayer structure with a first metal layer, a second metal layer and an insulation layer located therebetween. In this case, the semiconductor switching elements are preferably connected to an upper side of the first metal layer, with a heat sink being connected to an underside of the second metal layer.

Vorzugsweise weist der Stromrichter die Leistungselektronik auf.The power converter preferably has the power electronics.

Die Erfindung betrifft weiterhin einen entsprechenden elektrischen Achsantrieb mit einem erfindungsgemäßen Stromrichter sowie ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Stromrichter beschriebenen Vorteile auch für den erfindungsgemäßen elektrischen Achsantrieb und das erfindungsgemäße Fahrzeug.The invention further relates to a corresponding electric axle drive with a power converter according to the invention and a vehicle with such an electric axle drive. This results in the advantages already described in connection with the power converter according to the invention also for the electric axle drive according to the invention and the vehicle according to the invention.

Ausdrücke „im Wesentlichen parallel“ oder „im Wesentlichen senkrecht“ beschreiben Abweichungen von ±10° oder weniger, vorzugsweise ±5° oder weniger, mehr bevorzugt ±1 ° oder weniger, von der genannten Richtung.Terms “substantially parallel” or “substantially perpendicular” describe deviations of ±10° or less, preferably ±5° or less, more preferably ±1° or less, from said direction.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.The invention is explained below by way of example using the embodiments shown in the figures.

Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines als Wechselrichter ausgebildeten Stromrichters gemäß einer Ausführungsform in Perspektivansicht.
2a-c eine ausführlichere schematische Darstellung des als Wechselrichter ausgebildeten Stromrichters aus der 1 in Perspektiv- und Seitenansicht.
3 eine schematische Darstellung des als Wechselrichter ausgebildeten Stromrichters aus 2c, der an einer E-Maschine angebracht vorliegt in Seitenansicht.

Show it:

1 a schematic representation of a power converter designed as an inverter according to one embodiment in a perspective view.
2a-c a more detailed schematic representation of the power converter designed as an inverter from the 1 in perspective and side view.
3 a schematic representation of the power converter designed as an inverter 2c , which is attached to an electric machine and is shown in a side view.

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.The same objects, functional units and comparable components are designated with the same reference numerals across the figures. These objects, functional units and comparable components are identical in terms of their technical features, unless the description explicitly or implicitly states otherwise.

1 zeigt einen als Wechselrichter ausgebildeten Stromrichter gemäß einer Ausführungsform in einer perspektivischen schematischen Darstellung. Der Wechselrichter dient dazu, einen elektrischen Achsantrieb (hier nicht gezeigt) für ein Elektrofahrzeug und/oder Hybridfahrzeug zu bestromen. Der Wechselrichter umfasst eine Leistungselektronik 10 mit drei Phasen, welche jeweils über eine vorzugsweise als Wärmeleitfolie ausgebildete erste Verbindungsfolie 46a-c auf einer Kühlplatte 20 angeordnet sind. Die erste Verbindungsfolie bzw. Wärmeleitfolie 46a-c ist elektrisch isolierend und dient zur Potentialtrennung und thermischen Kopplung bzw. Wärmeabfuhr zwischen den Phasen der Leistungselektronik 10 einerseits und der Kühlplatte 20 andererseits. 1 shows a power converter designed as an inverter according to one embodiment in a perspective schematic representation. The inverter is used to power an electric axle drive (not shown here) for an electric vehicle and/or hybrid vehicle. The inverter includes power electronics 10 with three phases, each of which is arranged on a cooling plate 20 via a first connecting film 46a-c, which is preferably designed as a heat-conducting film. The first connecting film or heat-conducting film 46a-c is electrically insulating and serves for electrical isolation and thermal coupling or heat dissipation between the phases of the power electronics 10 on the one hand and the cooling plate 20 on the other.

Wie weiterhin unter Bezug auf die in 2a gezeigte ausführlichere schematische Darstellung des als Wechselrichter ausgebildeten Stromrichters entnommen werden kann. weist jede der drei Phasen dabei ein beispielhaft als Halbbrückenmodul ausgebildetes Leistungsmodul 40a-c auf.As further with reference to the in 2a shown more detailed schematic representation of the power converter designed as an inverter can be seen. Each of the three phases has a power module 40a-c designed, for example, as a half-bridge module.

Jedes der drei Halbbrückenmodule 40a-c umfasst eine Modulhighside und eine Modullowside (hier nicht gezeigt), die jeweils ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente 42a-c zum Einspeisen eines DC-Eingangstroms und zum Erzeugen eines AC-Ausgangsstroms basierend auf dem eingespeisten DC-Eingangsstrom mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente 42a-c aufweisen. Somit stellt jedes Halbbrückenmodul 40a-c eine vollständige Halbbrückenschaltung bereit. Alternativ können pro AC-Leistungsanschluss mehrere Halbbrückenmodule 42a-c vorgesehen sein. In diesem Fall können alle Modulhighsides der Halbbrückenmodule 42a-c miteinander in Parallelschaltung stehen und eine Highside der gesamten AC-Leistungsanschluss bilden. Gleichzeitig können alle Modullowsides der Halbbrückenmodule 42a-c miteinander in Parallelschaltung stehen und eine Lowside der gesamten AC-Leistungsanschluss bilden.Each of the three half-bridge modules 40a-c includes a module high side and a module low side (not shown here), each of which has one or more parallel-connected semiconductor switching elements 42a-c for feeding in a DC input current and for generating an AC output current based on the fed DC input current by means of Switching the semiconductor switching elements 42a-c. Thus, each half-bridge module 40a-c provides a complete half-bridge circuit. Alternatively, several half-bridge modules 42a-c can be provided per AC power connection. In this case, all module highsides of the half-bridge modules 42a-c can be connected in parallel with one another and form a highside of the entire AC power connection. At the same time, all module lowsides of the half-bridge modules 42a-c can be connected in parallel with one another and form a lowside of the entire AC power connection.

Die Halbleiterschaltelemente 42a-c in den jeweiligen Halbbrückenmodulen 40a-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 40a-c mehrere AC-Leistungsanschlüsse sowie mehrere Signalpins 44a-c enthalten.The semiconductor switching elements 42a-c in the respective half-bridge modules 40a-c are specifically switched to convert a DC current provided by a DC voltage source (not shown here) into an AC current with multiple phase currents. For this purpose, each half-bridge module 40a-c contains several AC power connections and several signal pins 44a-c.

Die AC-Leistungsanschlüsse umfassen dabei zwei pluspolige DC-Leistungsanschlüsse und einen minuspoligen DC-Leistungsanschluss, um den DC-Strom, der drei Zwischenkreiskondensatormodulen 30a-c des Wechselrichters zugeführt wird, in das Halbbrückenmodul 40a-c einzuspeisen. Die drei Zwischenkreiskondensatormodule 30a-c sind dabei jeweils über eine als Wärmeleitfolie ausgebildete zweite Verbindungsfolie 36a-c auf einer Kühlplatte 20 angeordnet. Die zweite Verbindungsfolie bzw. Wärmeleitfolie 36a-c ist elektrisch isolierend und dient zur Potentialtrennung und thermischen Kopplung bzw. Wärmeabfuhr zwischen den mit DC-Strom beaufschlagten Zwischenkreiskondensatormodulen 30a-c einerseits und der Kühlplatte 20 andererseits.The AC power connections include two positive-pole DC power connections and one negative-pole DC power connection in order to feed the DC current, which is supplied to three intermediate circuit capacitor modules 30a-c of the inverter, into the half-bridge module 40a-c. The three intermediate circuit capacitor modules 30a-c are each arranged on a cooling plate 20 via a second connecting film 36a-c designed as a heat-conducting film. The second connecting film or heat-conducting film 36a-c is electrically insulating and serves for electrical isolation and thermal coupling or heat dissipation between the intermediate circuit capacitor modules 30a-c supplied with DC current on the one hand and the cooling plate 20 on the other hand.

Unter erneutem Bezug auf 1 wird dabei der DC-Strom über einen Kondensatoreingang 110 in den Wechselrichter eingespeist. Zwischen dem Kondensatoreingang 110 und der DC-Spannungsquelle können ein Netzfilter und/oder ein Entstörkondensatoren, bspw. ein Y-Kondensator, (nicht gezeigt) angeordnet sein.With reference again to 1 The DC current is fed into the inverter via a capacitor input 110. A line filter and/or an interference suppression capacitor, for example a Y capacitor (not shown), can be arranged between the capacitor input 110 and the DC voltage source.

Drei AC-Leistungsanschlüsse 140a-c, die jeweils oberhalb der Halbleiterschaltelemente 42a-c angeordnet sind, dienen hingegen zum Abgreifen der drei Phasenströme, die zusammen den AC-Ausgangsstrom bilden.On the other hand, three AC power connections 140a-c, which are each arranged above the semiconductor switching elements 42a-c, serve to tap the three phase currents, which together form the AC output current.

Die AC-Leistungsanschlüsse 140a-c sind in Form eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet. Ferner ist der Kondensatoreingang 110 auf einer Geraden angeordnet ist, welche eine Seitenmitte und den Mittelpunkt des gleichseitigen Dreiecks schneidet. Vorzugsweise liegen der Kondensatoreingang 110 und die AC-Leistungsanschlüsse 140a-c dabei von dem Mittelpunkt des gleichseitigen Dreiecks gleichweit beabstandet vor. Der Kondensatoreingang 110 und die AC-Leistungsanschlüsse 140a-c liegen damit auf einem gemeinsamen Kreis vor, dessen Mittelpunkt dem Mittelpunkt des gleichseitigen Dreiecks entspricht.The AC power connections 140a-c are arranged in the shape of an equilateral triangle. Furthermore, the capacitor input 110 is arranged on a straight line which intersects a side center and the center of the equilateral triangle. The capacitor input 110 and the AC power connections 140a-c are preferably located from the center of the equilateral Triangles equidistant. The capacitor input 110 and the AC power connections 140a-c are therefore on a common circle, the center of which corresponds to the center of the equilateral triangle.

Aus 1 ist ferner ersichtlich, dass die AC-Leistungsanschlüsse 140a-c und der Kondensatoreingang 110 der Leistungselektronik 10, im Gegensatz zu der ersten Verbindungsfolie 46a-c und der zweiten Verbindungsfolie 36a-c, nicht auf der Kühlplatte 20 sondern auf einer Leiterplatte 120 angeordnet sind. Die erste Verbindungsfolie 46a-c und die zweite Verbindungsfolie 36a-c liegen damit zwischen der Kühlplatte 20 und der Leiterplatte 120 vor. Im Mittelpunkt der Kühlplatte 20 und der Leiterplatte 120 liegen eine erste Öffnung 22 bzw. eine zweite Öffnung 122 vor, welche zur Aufnahme eines Rotors 222 einer E-Maschine 200 vorgesehen sind. Kühlplatte 20 und Leiterplatte 120 sind derart übereinander angeordnet, dass der Rotor 222 durch die erste Öffnung 22 und zweite Öffnung 122 geschoben werden kann. Die Kühlplatte 20 und die Leiterplatte 120 sind mittels einer Befestigungsöffnung 24a, bspw. einer Schrauböffnung, an der Kühlplatte 20 und einer Befestigungsöffnung 124a, bspw. einer Schrauböffnung, an der Decksschicht 120 befestigt. Kühlplatte 20 und Leiterplatte 120 weisen, wie hier gezeigt, vorzugsweise einander entsprechende Abmessungen auf und sind mehr bevorzugt kreisförmig, um die erste Öffnung 22 bzw. zweite Öffnung 122 als Mittelpunkt, ausgebildet. Es ist jedoch klar, dass Kühlplatte 20 und Leiterplatte 120 beliebige andere Formen, bspw. eines Vielecks, vorzugsweise eines Rechtsecks, mehr bevorzugt eines Quadrats, annehmen können.Out of 1 It can also be seen that the AC power connections 140a-c and the capacitor input 110 of the power electronics 10, in contrast to the first connecting film 46a-c and the second connecting film 36a-c, are not arranged on the cooling plate 20 but on a circuit board 120. The first connecting film 46a-c and the second connecting film 36a-c are therefore present between the cooling plate 20 and the circuit board 120. At the center of the cooling plate 20 and the circuit board 120 there is a first opening 22 and a second opening 122, respectively, which are intended to accommodate a rotor 222 of an electric machine 200. Cooling plate 20 and circuit board 120 are arranged one above the other in such a way that the rotor 222 can be pushed through the first opening 22 and second opening 122. The cooling plate 20 and the circuit board 120 are fastened to the cooling plate 20 by means of a fastening opening 24a, for example a screw opening, and to the cover layer 120 by means of a fastening opening 124a, for example a screw opening. As shown here, cooling plate 20 and circuit board 120 preferably have corresponding dimensions and are more preferably circular, with the first opening 22 and second opening 122 as the center, respectively. However, it is clear that cooling plate 20 and circuit board 120 can take any other shape, for example a polygon, preferably a rectangle, more preferably a square.

An die AC-Leistungsanschlüsse 140a-c können elektrische Traktionsenergie übertragende Leistungsleistungen (nicht gezeigt) angeschlossen werden, die wiederum die elektrische Traktionsenergie der E-Maschine 200 bereitstellen.Power outputs (not shown) that transmit electrical traction energy can be connected to the AC power connections 140a-c, which in turn provide the electrical traction energy of the electric machine 200.

1 kann ferner entnommen werden, dass die AC-Leistungsanschlüsse 140a-c und die Leistungsmodule 40a-c in Form eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind, das die erste Öffnung 22 und die zweite Öffnung 122 als Mittelpunkt aufweist. Die erste Verbindungsfolie 46a-c und die zweite Verbindungsfolie 36a-c sind hierbei angrenzend an den Rand der kreisförmigen Leiterplatte 120 angeordnet. Der Kondensatoreingang ist ebenfalls angrenzend an den Rand der kreisförmigen Leiterplatte 120 auf einer Geraden angeordnet, welche die Basismitte und den Mittelpunkt des gleichseitigen Dreiecks schneidet. Die AC-Leistungsanschlüsse 140a-c sind damit von dem Kondensatoreingang 110 und v.a. voneinander maximal beabstandet und sind darüber hinaus von den nicht gezeigten Signalpins der mehreren Halbleiterschaltelemente (42a-c) durch die Leiterplatte 120 getrennt. Dadurch wird die unerwünschte Beeinflussung des Schaltzustands der Halbleiterschaltelemente weitgehend reduziert bzw. sogar vollständig unterbunden, wodurch die Wechselspannungen bzw. Wechselströme zuverlässiger und präziser bereitgestellt werden. Elektrische Verluste können auf ein Minimum reduziert werden. 1 It can further be seen that the AC power connections 140a-c and the power modules 40a-c are arranged in the form of an equilateral triangle having the first opening 22 and the second opening 122 as the center. The first connecting film 46a-c and the second connecting film 36a-c are arranged adjacent to the edge of the circular circuit board 120. The capacitor input is also located adjacent the edge of the circular circuit board 120 on a straight line that intersects the base center and the midpoint of the equilateral triangle. The AC power connections 140a-c are thus maximally spaced from one another from the capacitor input 110 and va and are also separated from the signal pins, not shown, of the plurality of semiconductor switching elements (42a-c) by the circuit board 120. As a result, the undesirable influence on the switching state of the semiconductor switching elements is largely reduced or even completely prevented, whereby the alternating voltages or alternating currents are provided more reliably and precisely. Electrical losses can be reduced to a minimum.

2a-c zeigt den Aufbau des Wechselrichters aus 1 in einer ausführlicheren, schematischen Ansicht. 2a-c shows the structure of the inverter 1 in a more detailed, schematic view.

2a betrifft den gleichen Sachverhalt wie die links in 1 gezeigte Kühlplatte 20 mit weiteren Komponenten. 2a kann entnommen werden, dass die drei Leistungsmodule 40a-c jeweils, im vorliegenden Fall beispielsweise sechs, Halbleiterschaltelemente 42a-c aufweisen die über Signalpins 44a-c angesteuert werden können. Außerdem weist jedes der Zwischenkreiskondensatormodule 30a-c, im vorliegenden Fall beispielsweise einen einzelnen Zwischenkreiskondensator 32a-c mit den Zwischenkreiskondensatoranschlüssen 34a-c auf. Die drei Leistungsmodule 40a-c und drei Zwischenkreiskondensatormodule 30a-c sind alternierend angeordnet. Ferner sind mehrere Befestigungsöffnungen 24, 24a vorgesehen. Es ist klar, dass eine beliebige Zahl an Halbleiterschaltelementen 42a-c, bspw. vier, sechs, acht, zehn, oder zwölf, und eine beliebige Zahl an Zwischenkreiskondensatoren 32a-c, bspw. ein, zwei, vier, sechs, oder acht, vorgesehen sein kann. 2a concerns the same issue as those on the left 1 shown cooling plate 20 with further components. 2a It can be seen that the three power modules 40a-c each have, in the present case for example six, semiconductor switching elements 42a-c which can be controlled via signal pins 44a-c. In addition, each of the intermediate circuit capacitor modules 30a-c, in the present case, for example, has a single intermediate circuit capacitor 32a-c with the intermediate circuit capacitor connections 34a-c. The three power modules 40a-c and three intermediate circuit capacitor modules 30a-c are arranged alternately. Furthermore, several fastening openings 24, 24a are provided. It is clear that any number of semiconductor switching elements 42a-c, for example four, six, eight, ten, or twelve, and any number of intermediate circuit capacitors 32a-c, for example one, two, four, six, or eight, can be provided.

2b betrifft den gleichen Sachverhalt wie die rechts in 1 gezeigte Leiterplatte 120 mit weiteren Komponenten. Aus 2b geht hervor, dass das die Leiterplatte 120 für jedes der Leistungsmodule 40a-c mehrere Signalpinöffnungen144a-c aufweist, durch welche Signalpins 44a-c derart geführt werden, dass die Signalpins 44a-c auf der der Kühlplatte 20 abgewandten Seite der Leiterplatte 120 kontaktiert werden können. Jedem der Halbleiterschaltelemente 42a-c sind zumindest zwei Signalpins 44a-c zugeordnet. Ein erster Signalpin 44a-c ist zur Übertragung von Steuersignalen auf eine Steuerelektrode (z.B. Gate-Elektrode) des jeweiligen Halbleiterschaltelements 42a-c ausgebildet, wobei ein zweiter Signalpin 44a-c zur Sensierung des Laststroms mit einer Stromelektrode (z.B. Drain- oder Source-Elektrode) des jeweiligen Halbleiterschaltelements 42a-c elektrisch verbunden ist. Ferner sind mehrere Befestigungsöffnungen 124, 124a an Positionen der Leiterplatte 120 vorgesehen, die den Befestigungsöffnungen 24, 24a der Kühlplatte 20 entsprechen und die Befestigung der Leiterplatte 120 an der Kühlplatte 20 ermöglichen. Die Leiterplatte 120 kann für jedes der Zwischenkreiskondensatormodule 30a-c Öffnungen (nicht gezeigt) aufweisen, die dazu angepasst die Zwischenkreiskondensatoranschlüsse 34a-c zum Kontaktieren mit den Kondensatoranschlüssen 110 auf der der Kühlplatte 20 abgewandten Seite der Leiterplatte 120 zu führen. 2 B concerns the same facts as those on the right 1 printed circuit board 120 shown with further components. Out of 2 B It can be seen that the circuit board 120 has a plurality of signal pin openings 144a-c for each of the power modules 40a-c, through which signal pins 44a-c are guided in such a way that the signal pins 44a-c can be contacted on the side of the circuit board 120 facing away from the cooling plate 20 . At least two signal pins 44a-c are assigned to each of the semiconductor switching elements 42a-c. A first signal pin 44a-c is designed to transmit control signals to a control electrode (eg gate electrode) of the respective semiconductor switching element 42a-c, with a second signal pin 44a-c for sensing the load current with a current electrode (eg drain or source electrode ) of the respective semiconductor switching element 42a-c is electrically connected. Furthermore, a plurality of fastening openings 124, 124a are provided at positions of the printed circuit board 120, which correspond to the fastening openings 24, 24a of the cooling plate 20 and enable the printed circuit board 120 to be fastened to the cooling plate 20. The circuit board 120 can have openings (not shown) for each of the intermediate circuit capacitor modules 30a-c, which are adapted to the intermediate circuit capacitor connections 34a-c for contacting the capacitor connections 110 on the side of the circuit board 120 facing away from the cooling plate 20.

2c zeigt eine Schnittsicht der an der Kühlplatte 20 befestigten Leiterplatte 120 entlang dem Leistungsmodul 40b, der ersten Öffnung 22, der Befestigungsöffnung 24a und dem Zwischenkreiskondensatormodul 30a aus 2a, bzw. entsprechend dem AC-Leistungsanschluss 140b, den Signalpinöffnungen 144b, der zweiten Öffnung 122, der Befestigungsöffnung 124a und den Kondensatoreingang 110 aus 2b. 2c shows a sectional view of the circuit board 120 attached to the cooling plate 20 along the power module 40b, the first opening 22, the fastening opening 24a and the intermediate circuit capacitor module 30a 2a , or corresponding to the AC power connection 140b, the signal pin openings 144b, the second opening 122, the mounting opening 124a and the capacitor input 110 2 B .

2c ist weiter zu entnehmen, dass die erste Öffnung 22 und die zweite Öffnung 122 entlang einer gemeinsamen Achse 22a gebildet sind. Die erste Öffnung 22 und die zweite Öffnung 122 sind dabei dazu angepasst den Rotor 222 der E-Maschine 200 derart aufzunehmen, dass dieser entlang der Achse 22a vorliegt. Die Befestigung der Leiterplatte 120 an der Kühlplatte 20 erfolgt hierbei mittels der beispielhaft gezeigten Schraube 224a. Es ist klar, dass eine beliebige Zahl an Schrauben und/oder anderer Befestigungsmittel verwendet werden können, um die Leiterplatte 120 an der Kühlplatte 20 zu befestigen. Die Kühlplatte 20 weist ferner die Befestigungsöffnung 24 umgebende Materialvorsprünge 26 derart auf, dass eine Beabstandung zwischen der Kühlplatte 20 und der Leiterplatte 120 über die Materialvorsprünge 26 bereitgestellt wird. Dadurch ist die Leiterplatte 120 zwischen dem gezeigten Materialvorsprung 26 und dem Kopf der der beispielhaft gezeigten Schraube 224a festgehalten bzw. fixiert. Die Halbleiterschaltelemente 42b kontaktierende Signalpins 44b und den Zwischenkreiskondensator 32a kontaktierende Zwischenkreiskondensatoranschluss 34a erstrecken sich senkrecht von den Halbleiterschaltelementen 42b bzw. dem Zwischenkreiskondensator 32a, die zwischen der Kühlplatte 20 und der Leiterplatte 120 vorliegen, derart durch die Leiterplatte 120, dass die Signalpins 44b und der Zwischenkreiskondensatoranschluss 34a an der den Halbleiterschaltelementen 42b bzw. dem Zwischenkreiskondensator 32a gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 120 kontaktiert werden können. 2c It can further be seen that the first opening 22 and the second opening 122 are formed along a common axis 22a. The first opening 22 and the second opening 122 are adapted to accommodate the rotor 222 of the electric machine 200 in such a way that it is present along the axis 22a. The circuit board 120 is fastened to the cooling plate 20 using the screw 224a shown as an example. It will be appreciated that any number of screws and/or other fasteners may be used to secure the circuit board 120 to the cooling plate 20. The cooling plate 20 further has material projections 26 surrounding the fastening opening 24 such that a spacing between the cooling plate 20 and the circuit board 120 is provided via the material projections 26. As a result, the circuit board 120 is held or fixed between the material projection 26 shown and the head of the screw 224a shown as an example. The signal pins 44b contacting the semiconductor switching elements 42b and the intermediate circuit capacitor connection 34a contacting the intermediate circuit capacitor 32a extend vertically from the semiconductor switching elements 42b and the intermediate circuit capacitor 32a, respectively, which are present between the cooling plate 20 and the circuit board 120, through the circuit board 120 in such a way that the signal pins 44b and the intermediate circuit capacitor connection 34a can be contacted on the side of the circuit board 120 opposite the semiconductor switching elements 42b or the intermediate circuit capacitor 32a.

3 zeigt den als Wechselrichter ausgebildeten Stromrichter entsprechend 2c, der an einer E-Maschine 200 angebracht vorliegt. 3 shows the power converter designed as an inverter accordingly 2c which is attached to an electric machine 200.

Es ist ersichtlich, dass die Kühlplatte 20 der Leistungselektronik 10 an der E-Maschine angebracht ist und der Rotor 222 der E-Maschine 200 durch die erste Öffnung 22 der Kühlplatte 20 und die zweite Öffnung 122 der Leiterplatte 120 geführt ist. Eine Abdeckung 202 ist derart an der E-Maschine 200 angebracht, dass die Leistungselektronik 10 im Wesentlichen geschützt vorliegt.It can be seen that the cooling plate 20 of the power electronics 10 is attached to the electric machine and the rotor 222 of the electric machine 200 is guided through the first opening 22 of the cooling plate 20 and the second opening 122 of the circuit board 120. A cover 202 is attached to the electric machine 200 in such a way that the power electronics 10 is essentially protected.

3 kann ferner entnommen werden, dass lediglich der Rotor 222 und der Kondensatoreingang 110, der im Wesentlichen senkrecht auf der Leiterplatte 120, durch die Abdeckung 202 geführt sind. Der AC-Leistungsanschluss 140b ist, entsprechend den beiden anderen nicht gezeigten AC-Leistungsanschlüssen 140a,c, ebenfalls an der Leiterplatte 120 derart im Wesentlichen senkrecht angebracht, dass der AC-Leistungsanschluss 140b und die nicht gezeigten AC-Leistungsanschlüsse 140a,c in das Innere der E-Maschine verlaufen und dort an elektrische Traktionsenergie übertragende Leistungsleistungen (nicht gezeigt) angeschlossen werden, die wiederum mit einem Stator (nicht gezeigt) verbunden sind. 3 It can also be seen that only the rotor 222 and the capacitor input 110, which are essentially perpendicular to the circuit board 120, are guided through the cover 202. The AC power connection 140b is, corresponding to the two other AC power connections 140a, c, not shown, also attached to the circuit board 120 essentially vertically in such a way that the AC power connection 140b and the AC power connections 140a, c, not shown, are in the interior the electric machine and are connected there to electrical traction energy transmitting power (not shown), which in turn is connected to a stator (not shown).

BezugszeichenReference symbols

1010: LeistungselektronikPower electronics
2020: Kühlplattecooling plate
22a22a: gemeinsame Achsecommon axis
2222: erste Durchgangsöffnungfirst passage opening
24, 24a, 124, 124a24, 24a, 124, 124a: BefestigungsöffnungFastening opening
30a-c30a-c: ZwischenkreiskondensatormodulDC link capacitor module
32a-c32a-c: ZwischenkreiskondensatorDC link capacitor
34a-c34a-c: ZwischenkreiskondensatoranschlüsseDC link capacitor connections
36a-c36a-c: zweite Verbindungsfoliesecond connecting film
40a-c40a-c: LeistungsmodulePower modules
42 a-c42 a-c: HalbleiterschaltelementeSemiconductor switching elements
44a-c44a-c: SignalpinsSignal pins
46a-c46a-c: erste Verbindungsfoliefirst connecting film
110110: KondensatoreingangCapacitor input
120120: LeiterplatteCircuit board
122122: zweite Durchgangsöffnungsecond passage opening
140a-c140a-c: AC-LeistungsanschlüsseAC power connections
144a-c144a-c: SignalpinöffnungenSignal pin openings
200200: E-MaschineE-machine
202202: Abdeckungcover
222222: Rotorrotor

Claims

Power electronics (10) for an inverter for powering an electric axle drive in an electric vehicle and/or a hybrid vehicle, comprising: three AC power connections (140a-c), each with a power module (40a-c), each power module (40a-c) a plurality of semiconductor switching elements (42a-c) for feeding in a DC input current and for generating an AC output current based on the fed-in DC input current by switching the semiconductor switching elements (42a-c), the AC power connections (140a-c) being in the form of a isosceles triangle are arranged.

Power electronics (10). Claim 1 , further comprising three intermediate circuit capacitor modules (30a-c) with a capacitor input (110) for connecting a voltage source and a capacitor output for feeding the input current into the plurality of semiconductor switching elements (42a-c), the intermediate circuit capacitor modules (30a-c) each having one or have a plurality of intermediate circuit capacitors (32a-c), the capacitor input (110) being arranged on a straight line which intersects the base center and the center of the isosceles triangle.

Power electronics Claim 2 , wherein the AC power connections (140a-c) are arranged in the form of an equilateral triangle, preferably wherein the three AC power connections (140a-c) and the capacitor input (110) are arranged in a circle around the center of the equilateral triangle.

Power electronics (10) according to one of the preceding claims, further comprising a cooling plate (20) with a first connecting film (46a-c), which is arranged between the cooling plate (20) and the plurality of semiconductor switching elements (42a-c), and / or one second connecting film (36a-c), which is arranged between the cooling plate (20) and the three intermediate circuit capacitor modules (30a-c), preferably wherein the first connecting film (46a-c) is a heat-conducting film and / or the second connecting film (36a-c) is a heat-conducting foil, more preferably wherein the heat-conducting foil is designed to be electrically insulating.

Power electronics (10). Claim 4 , further wherein the cooling plate (20) has a first through opening (22), the first through opening (22) being designed to accommodate a rotor (222) of an electric machine (200), the power modules (40a-c) on the Cooling plate (20) are arranged such that the first through opening (22) forms a center of the isosceles triangle, preferably wherein the cooling plate is circular.

Power electronics (10). Claim 5 , further comprising a circuit board (120) with a second through opening (122), the second through opening (122) being designed to receive the rotor (222), the AC power connections (140a-c) on the cooling plate (20) being such are arranged so that the second through opening (122) forms the center of the isosceles triangle, the power modules (40a-c) being arranged between the circuit board (120) and the cooling plate (20), preferably the AC power connections (140a-c ) are separated from the power modules (40a-c) by the circuit board (120), more preferably wherein the circuit board is circular.

Power electronics Claim 6 , wherein the capacitor input (110) is arranged on the circuit board (120).

Power electronics Claim 6 or 7 , wherein the cooling plate (20) and the circuit board (120) have a plurality of fastening openings (24, 24a, 124, 124a) for attaching the circuit board (120) to the cooling plate (20) such that the power modules (40a-c) between the Cooling plate (20) and the circuit board (120) are arranged.

Power electronics (10) according to one of the Claims 6 until 8th , wherein the semiconductor switching elements (42a-c) each have electrodes, with a plurality of signal pins (44a-c) each being electrically conductively connected to one of the electrodes and extending through the circuit board (120).

Inverter for powering an electric axle drive in an electric vehicle and/or a hybrid vehicle, comprising the power electronics (10) according to one of the preceding claims.

Electric axle drive for a vehicle, in particular an electric vehicle or hybrid vehicle, comprising an electric machine (200), a transmission device and an inverter Claim 10 .

Vehicle, in particular electric vehicle or hybrid vehicle, comprising an electric axle drive Claim 11 .