DE102022211620A1 - Power module with top contact - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul (10) für einen Stromrichter zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug, aufweisend mehrere Halbleiterschaltelemente (14) zum Umwandeln eines durch eine eingangsseitige Spannungsquelle erzeugten Eingangsstroms in einen Ausgangsstrom mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente (14), einen Schaltungsträger (12), an den die Halbleiterschaltelemente (14) unterseitig angebunden sind, eine Verdrahtung (16a,b), an die die Halbleiterschaltelemente (14) oberseitig angebunden sind, mehrere Leistungsanschlüsse (18a,b) zum Einspeisen des Eingangsstroms und/oder zum Abgreifen des Ausgangsstroms, wobei mindestens einer der mehreren Leistungsanschlüsse (18a,b) sich ausgehend von der Verdrahtung (16a,b) entlang einer zu einer Oberseite (121) des Schaltungsträgers (12) im Wesentlichen orthogonalen Richtung erstreckt.The present invention relates to a power module (10) for a power converter for supplying current to an electric axle drive in an electric vehicle and/or a hybrid vehicle, comprising a plurality of semiconductor switching elements (14) for converting an input current generated by an input-side voltage source into an output current by switching the semiconductor switching elements (14), a circuit carrier (12) to which the semiconductor switching elements (14) are connected on the underside, wiring (16a,b) to which the semiconductor switching elements (14) are connected on the top side, a plurality of power connections (18a,b) for feeding in the input current and/or for tapping the output current, wherein at least one of the plurality of power connections (18a,b) extends from the wiring (16a,b) along a direction that is substantially orthogonal to an upper side (121) of the circuit carrier (12).
Description
Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul für einen Stromrichter, insbesondere für einen Wechselrichter, zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls für einen Stromrichter, einen entsprechenden Stromrichter, insbesondere einen Wechselrichter, einen entsprechenden elektrischen Achsantrieb mit einem solchen Stromrichter sowie ein entsprechendes Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb.The invention relates to a power module for a power converter, in particular for an inverter, for supplying current to an electric axle drive of an electric vehicle or a hybrid vehicle, a method for producing a power module for a power converter, a corresponding power converter, in particular an inverter, a corresponding electric axle drive with such a power converter and a corresponding vehicle with such an electric axle drive.
Im Stand der Technik sind Elektrofahrzeuge, bspw. batteriebetriebene Fahrzeuge (Battery Electric Vehicles) und Hybridfahrzeuge, bekannt. Diese werden ausschließlich bzw. unterstützend von einer oder mehreren elektrischen Maschinen als Antriebsaggregate angetrieben. Um die elektrischen Maschinen solcher Elektrofahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen, umfassen die Elektrofahrzeuge elektrische Energiespeicher, insbesondere 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 üblicherweise ein mit einer Leistungselektronik ausgestatteter, sog. Wechselrichter geschaltet.Electric vehicles, such as battery-powered vehicles (Battery Electric Vehicles) and hybrid vehicles, are known in the state of the art. These are powered exclusively or in a supporting manner by one or more electric machines as drive units. In order to supply the electric machines of such electric vehicles with electrical energy, the electric vehicles include electrical energy storage devices, in particular rechargeable electric batteries. These batteries are designed as direct current sources. However, the electric machines usually require alternating current. Therefore, a so-called inverter equipped with power electronics is usually connected between a battery and an electric machine (E-machine) of an electric vehicle.
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.Such inverters usually comprise semiconductor switching elements, which are typically made of 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 several phase currents of an AC current that are offset from one another in time from a DC current fed into the input side of the half-bridges, whereby the phase currents are each variable over time and generally assume a sinusoidal shape.
Die Halbleiterschaltelemente sind vorzugsweise Transistoren wie MOSFETs oder IGBTs und weisen jeweils mehrere Anschlüsse zum Beaufschlagen des jeweiligen Halbleiterschaltelements mit einem Schalterstrom (Leistungsanschlüsse) sowie zum Einprägen eines Schaltsignals (Steueranschluss), um den Schalterstrom durchzulassen bzw. zu sperren. Zur Übertragung des Schaltsignals werden Signalpins verwendet, die einerseits mit dem Steueranschluss und andererseits mit einer Steuereinrichtung (bzw. Treibereinrichtung) verbunden sind, die eine mit Treiberbauteilen bestückte Leiterplatte umfasst. Die Halbleiterschaltelemente können in einer stromisolierenden Schutzverkleidung aufgenommen sein.The semiconductor switching elements are preferably transistors such as MOSFETs or IGBTs and each have several connections for applying a switching current to the respective semiconductor switching element (power connections) and for impressing a switching signal (control connection) in order to pass or block the switching current. Signal pins are used to transmit the switching signal, which are connected on the one hand to the control connection and on the other hand to a control device (or driver device) which comprises a circuit board equipped with driver components. The semiconductor switching elements can be accommodated in a current-insulating protective casing.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Leistungsmodulen besteht der Nachteil, dass durch die äußeren elektrischen Kontakte an die Leistungsanschlüsse ein grö-ßerer Platzbedarf bei den weiteren Bauteilen erforderlich ist, damit das Leistungsmodul auch kontaktiert werden kann. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass diese äu-ßeren elektrischen Kontakte bei den bekannten Leistungsmodulen zu Lasten der der Niederinduktivität gehen.The disadvantage of the power modules known from the state of the art is that the external electrical contacts on the power connections require more space for the other components so that the power module can also be contacted. A further disadvantage is that these external electrical contacts in the known power modules come at the expense of the low inductance.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Leistungsmodul für einen Stromrichter, insbesondere einen Wechselrichter, bereitzustellen, um die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise zu beheben.It is an object of the invention to provide a power module for a power converter, in particular an inverter, in order to at least partially eliminate the disadvantages mentioned above.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Leistungsmodul, das Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls, 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.This object is achieved according to the invention by the power module, the method for producing a power module, the power converter, the electric axle drive and the vehicle according to the independent patent claims. Advantageous embodiments and further developments of the invention emerge from the dependent patent claims.
Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul für einen Stromrichter, insbesondere einen Wechselrichter, zum Betreiben eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug. Das Leistungsmodul umfasst mehrere Halbleiterschaltelemente zum Einspeisen eines Eingangsstroms und zum Erzeugen eines Ausgangsstroms basierend auf dem eingespeisten Eingangsstrom mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente. Der Stromrichter ist vorzugsweise ein DC/AC-Wechselrichter (Inverter). In diesem Fall handelt es sich beim Eingangsstrom um einen von einer DC-Spannungsquelle bereitgestellten DC-Strom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen AC-Strom mit mehreren Phasenströmen handelt. Alternativ kann der Stromrichter ein DC/DC-Gleichrichter (Konverter) sein. In diesem Fall handelt es sich beim Eingangsstrom um einen von einer DC-Spannungsquelle bereitgestellten DC-Eingangsstrom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen vom DC-Eingangsstrom verschiedenen DC-Ausgangsstrom handelt, der vorzugsweise zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie dieser zugeführt wird.The invention relates to a power module for a power converter, in particular an inverter, for operating an electric axle drive in an electric vehicle and/or a hybrid vehicle. The power module comprises a plurality of semiconductor switching elements for feeding in an input current and for generating an output current based on the fed-in input current by switching the semiconductor switching elements. The power converter is preferably a DC/AC inverter. In this case, the input current is a DC current provided by a DC voltage source, the output current being an AC current with multiple phase currents. Alternatively, the power converter can be a DC/DC rectifier. In this case, the input current is a DC input current provided by a DC voltage source, the output current being a DC output current different from the DC input current, which is preferably supplied to a vehicle battery for charging it.
Die Halbleiterschaltelemente sind vorzugsweise Transistoren, wie MOSFETs und/oder IGBTs. Das den Halbleiterschaltelementen zugrundeliegende Halbleitermaterial ist vorzugsweise Silizium oder ein sogenannter Halbleiter mit einer großen Bandlücke, etwa Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN).The semiconductor switching elements are preferably transistors, such as MOSFETs and/or IGBTs. The semiconductor material underlying the semiconductor switching elements is preferably silicon or a so-called semiconductor with a large band gap, such as silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN).
Das Leistungsmodul weist ferner einen Schaltungsträger, an den die Halbleiterschaltelemente unterseitig angebunden sind, eine Verdrahtung, an die die Halbleiterschaltelemente oberseitig angebunden sind, sowie mehrere Leistungsanschlüsse zum Einspeisen des Eingangsstroms und/oder zum Abgreifen des Ausgangsstroms auf.The power module further comprises a circuit carrier to which the semiconductor switching elements are connected on the underside, a wiring to which the semiconductor switching elements are connected on the upper side, and a plurality of power connections for feeding in the input current and/or for tapping the output current.
Mindestens einer der mehreren Leistungsanschlüsse erstreckt sich ausgehend von der Verdrahtung entlang einer zu einer Oberseite des Schaltungsträgers im Wesentlichen orthogonalen Richtung. Mithin ist der eine der mehreren Leistungsanschlüsse im Wesentlichen senkrecht auf einer Oberseite der Verdrahtung vorgesehen. Die Verdrahtung stellt vorzugsweise einen elektrischen Kontakt zwischen den Halbleiterschaltementen und den Leistungsanschlüssen derart bereit, dass der Eingangsstrom eingespeist bzw. der Ausgangsstrom abgegriffen werden kann.At least one of the plurality of power connections extends from the wiring along a direction that is substantially orthogonal to a top side of the circuit carrier. Thus, one of the plurality of power connections is provided substantially perpendicularly on a top side of the wiring. The wiring preferably provides an electrical contact between the semiconductor circuit elements and the power connections such that the input current can be fed in or the output current can be tapped off.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls für einen Stromrichter zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug. Das Verfahren umfasst (a) Unterseitiges Anbinden mehrerer Halbleiterschaltelemente zum Umwandeln eines durch eine eingangsseitige Spannungsquelle erzeugten Eingangsstroms in einen Ausgangsstrom mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente an einen Schaltungsträger, (b) Oberseitiges Anbinden der mehreren Halbleiterschaltelemente an eine Verdrahtung, (c) Anbinden mehrerer Leistungsanschlüsse, an die Verdrahtung, zum Einspeisen des Eingangsstroms und/oder zum Abgreifen des Ausgangsstroms, wobei mindestens einer der mehreren Leistungsanschlüsse sich ausgehend von der Verdrahtung entlang einer zu einer Oberseite des Schaltungsträgers im Wesentlichen orthogonalen Richtung erstreckt. Das Verfahren kann außerdem (d) Verkapseln, bspw. durch Aufbringen einer Vergussmasse, des Leistungsmoduls mit einer Verkapselung derart aufweisen, dass lediglich Endbereiche der mehreren Leistungsanschlüsse an einer Verkapselungsoberseite der Verkapselung elektrisch kontaktiert werden können, vorzugsweise teilweises Abtragen der Verkapselung derart, dass die Endbereiche der mehreren Leistungsanschlüsse freigelegt werden.The invention also relates to a method for producing a power module for a power converter for supplying current to an electric axle drive in an electric vehicle and/or a hybrid vehicle. The method comprises (a) connecting a plurality of semiconductor switching elements to a circuit carrier on the lower side for converting an input current generated by an input-side voltage source into an output current by switching the semiconductor switching elements, (b) connecting the plurality of semiconductor switching elements to a wiring on the upper side, (c) connecting a plurality of power connections to the wiring for feeding in the input current and/or for tapping the output current, wherein at least one of the plurality of power connections extends from the wiring along a direction that is substantially orthogonal to an upper side of the circuit carrier. The method may further comprise (d) encapsulating, for example by applying a potting compound, the power module with an encapsulation such that only end regions of the plurality of power terminals can be electrically contacted on an encapsulation top side of the encapsulation, preferably partially removing the encapsulation such that the end regions of the plurality of power terminals are exposed.
Dies hat den Vorteil, dass das erfindungsgemäße Leistungsmodul, bzw. das durch das erfindungsgemäßer Verfahren erhältliche Leistungsmodul, nicht nur seitlich, d.h. parallel zu der Ebene des Schaltungsträgers, sondern auch von der Oberseite kontaktiert werden kann. Bspw. und vorzugsweise können die Leistungsanschlüsse zum Einspeisen des Eingangsstroms an der Oberseite des Leistungsmoduls und die Leistungsanschlüsse zum Abgreifen des Ausgangsstroms seitlich angebracht werden. Weiter bspw. und vorzugsweise können die Leistungsanschlüsse zum Abgreifen des Ausgangsstroms an der Oberseite des Leistungsmoduls und die Leistungsanschlüsse zum Einspeisen des Eingangsstroms seitlich angebracht werden. Durch die erzielte verbesserte Oberflächenkontaktierbarkeit kann eine kompaktere Bauform realisiert werden, bei der die Kontaktierung des Leistungsmoduls mit Ausnahme der Unterseite von allen Seiten erfolgen kann. Weitere Bauteile können bspw. unmittelbar an der Oberseite des Leistungsmoduls angeordnet werden und mit diesem über kurze Anschlüsse verbunden werden. Darüber hinaus kann eine niederinduktive Anbindung an das Leistungsmodul bewerkstelligt werden. Eine gleichmäßig verteilte Oberflächenkontaktierung, insbesondere entlang der Oberseite, kann außerdem als Wärmespeicher und Wärmespreizungselement dienen und zu so neben einer verbesserten räumlichen Nutzung des Leistungsmoduls auch eine verbesserte Wärmeabfuhr ermöglichen, ohne dass dabei bspw. eine zusätzliche Kühlvorrichtung eingesetzt werden muss. This has the advantage that the power module according to the invention, or the power module obtainable by the method according to the invention, can be contacted not only from the side, i.e. parallel to the plane of the circuit carrier, but also from the top. For example and preferably, the power connections for feeding in the input current can be attached to the top of the power module and the power connections for tapping the output current can be attached to the side. Furthermore, for example and preferably, the power connections for tapping the output current can be attached to the top of the power module and the power connections for feeding in the input current can be attached to the side. The improved surface contactability achieved makes it possible to achieve a more compact design in which the power module can be contacted from all sides with the exception of the bottom. Other components can, for example, be arranged directly on the top of the power module and connected to it via short connections. In addition, a low-inductive connection to the power module can be achieved. A uniformly distributed surface contact, especially along the top side, can also serve as a heat storage and heat spreading element and thus enable not only improved spatial use of the power module but also improved heat dissipation without the need for an additional cooling device, for example.
Gemäß einer Ausführungsform erstrecken sich zwei der mehreren Leistungsanschlüsse sich ausgehend von der Verdrahtung entlang einer zu einer Oberseite des Schaltungsträgers im Wesentlichen orthogonalen Richtung, wobei die zwei der mehreren Leistungsanschlüsse mit Stromschienen verbunden sind. Die Stromschienen verbinden dabei vorzugsweise Zwischenkreiskondensatoren mit den Leistungsanschlüssen zum Einspeisen des Eingangsstroms in die Leistungselektronik. Darüber hinaus können die Stromschienen eine pluspolige Stromschiene und eine minuspolige Stromschiene umfassen. Im Fall, dass der Stromrichter als DC/AC-Wechselrichter ausgebildet ist, sind die Stromschienen als DC-Stromschienen zum Leiten des DC-Eingangsstroms ausgelegt. Die pluspolige Stromschiene und die minuspolige Stromschiene sind weiter vorzugsweise flächig ausgebildet und überlappen einander. Damit liegen die beiden ersten Stromschienen parallel zueinander vor und sind, mit Blickrichtung senkrecht auf deren Flächen, voneinander versetzt. Mehr bevorzugt sind die Stromschienen mit einer Kühlvorrichtung derart versehen, dass die Kühlvorrichtung die Oberfläche der Verkapselung kühlt in welche das erfindungsgemäße Leistungsmodul aufgenommen ist. Dies hat den Vorteil, dass die Kühlvorrichtung das Leistungsmodul auch von der Oberseite her kühlen kann. Bei einer gleichzeitigen Bereitstellung eines kühlbaren Schaltungsträgers, bspw. mittels einer an der Unterseite des Schaltungsträger angebrachten Kühlvorrichtung, kann das Leistungsmodul von zwei Seiten, der Unterseite und der Oberseite, gekühlt werden.According to one embodiment, two of the multiple power connections extend from the wiring along a direction that is essentially orthogonal to a top side of the circuit carrier, wherein the two of the multiple power connections are connected to busbars. The busbars preferably connect intermediate circuit capacitors to the power connections for feeding the input current into the power electronics. In addition, the busbars can comprise a positive-pole busbar and a negative-pole busbar. In the case that the power converter is designed as a DC/AC inverter, the busbars are designed as DC busbars for conducting the DC input current. The positive-pole busbar and the negative-pole busbar are further preferably designed to be flat and overlap one another. The first two busbars are thus parallel to one another and are offset from one another when viewed perpendicularly to their surfaces. More preferably, the busbars are provided with a cooling device such that the cooling device cools the surface of the encapsulation in which the power module according to the invention is accommodated. This has the advantage that the cooling device can also cool the power module from the top. If a coolable circuit carrier is provided at the same time, e.g. by means of a cooling device attached to the underside of the circuit carrier, The power module can be cooled from two sides, the bottom and the top.
Vorzugsweise ist der Schaltungsträger als Leiterplatte oder Keramiksubstrat ausgebildet. Mehr bevorzugt ist der Schaltungsträger mit einer Kühlvorrichtung bereitgestellt.Preferably, the circuit carrier is designed as a printed circuit board or ceramic substrate. More preferably, the circuit carrier is provided with a cooling device.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Verdrahtung als Stanzgitter und/oder als Bonddrähte ausgebildet, vorzugsweise ist die Verdrahtung über eine Lötverbindung, Sinterverbindung, oder elektrisch leitender Klebeverbindung an die Halbleiterschaltelemente, und ggf. den Schaltungsträger, angebunden. Ein oder mehrere Stanzgitter (bzw. Leadframe) bzw. Bonddrähte, insbesondere Bändchenbonds bzw. Wirebonds, werden dabei auf die Oberseite der Halbleiterschaltelemente und, ggf. den Schaltungsträger, aufgebracht. Es ist klar, dass das Stanzgitter bzw. die Bonddrähte nicht durchgängig vorliegen müssen, sondern auch mehrere voneinander getrennte Bereiche der Halbleiterschaltelemente und, ggf. des Schaltungsträgers, kontaktieren können. Das Anbinden an den Halbleiterschaltelemente und, ggf. den Schaltungsträger, kann durch eine Lötverbindung, Sinterverbindung, oder elektrisch leitender Klebeverbindung an die Halbleiterschaltelemente, und ggf. den Schaltungsträger, bewerkstelligt werden. Dadurch wird das Herstellungsverfahren weiter vereinfacht.According to one embodiment, the wiring is designed as a lead frame and/or as bonding wires. Preferably, the wiring is connected to the semiconductor switching elements and, if applicable, the circuit carrier via a soldered connection, sintered connection, or electrically conductive adhesive connection. One or more lead frames or bonding wires, in particular ribbon bonds or wire bonds, are applied to the top of the semiconductor switching elements and, if applicable, the circuit carrier. It is clear that the lead frame or the bonding wires do not have to be continuous, but can also contact several separate areas of the semiconductor switching elements and, if applicable, the circuit carrier. The connection to the semiconductor switching elements and, if applicable, the circuit carrier can be achieved by a soldered connection, sintered connection, or electrically conductive adhesive connection to the semiconductor switching elements and, if applicable, the circuit carrier. This further simplifies the manufacturing process.
Gemäß einer Ausführungsform ist weist das Leistungsmodul eine Verkapselung auf, in welcher das Leistungsmodul derart aufgenommen ist, dass lediglich Endbereiche der mehreren Leistungsanschlüsse an einer Verkapselungsoberfläche der Verkapselung elektrisch kontaktiert werden können. Mithin ist das gesamte Leistungsmodul, bis auf die Endbereiche der mehreren Leistungsanschlüsse verkapselt, vorzugsweise in der Verkapselung stoffschlüssig aufgenommen. Bei der Verkapselung kann es sich um eine Umspritzung oder eine Vergussmasse, bspw. aus einem Duroplast, handeln, in welche das Leistungsmodul aufgenommen ist. Vorzugsweise wird ein stromisolierendes Spritzgussmaterial, bspw. ein stromisolierender Duroplast, verwendet. Mehr bevorzugt weist das Spritzgussmaterial, bspw. Duroplast, eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit auf, um die Kühlung des Leistungsmoduls zu ermöglichen. Noch mehr bevorzugt weist das Spritzgussmaterial elastische Eigenschaften auf. Dem Fachmann sind geeignete Spritzgussmaterialien mit stromisolierenden Eigenschaften und einer ggf. ausreichenden Wärmeleitfähigkeit und/oder elastischen Eigenschaften geläufig. Die Verkapselung, vorzugsweise eine Umspritzung oder eine Vergussmasse, bildet dabei im Wesentlichen eine Quaderform aus, wobei der Schaltungsträger derart in die im Wesentlichen quaderförmige Verkapselung aufgenommen ist, dass dieser im Wesentlichen parallel zu einer Verkapselungsoberseite und einer Verkapselungsunterseite der im Wesentlichen quaderförmigen Verkapselung vorliegt, wobei an der Oberseite des Schaltungsträgers die Halbleiterschaltelemente angeordnet sind. Durch die Verkapselung des Leistungsmoduls, mit Ausnahme der Endbereiche der mehreren Leistungsanschlüsse, kann ein bestmöglicher mechanischer Schutz gewährleistet werden.According to one embodiment, the power module has an encapsulation in which the power module is accommodated in such a way that only end regions of the multiple power connections can be electrically contacted on an encapsulation surface of the encapsulation. The entire power module, except for the end regions of the multiple power connections, is therefore encapsulated, preferably held in the encapsulation in a material-locking manner. The encapsulation can be an overmolding or a potting compound, e.g. made of a thermosetting plastic, in which the power module is accommodated. Preferably, a current-insulating injection molding material, e.g. a current-insulating thermosetting plastic, is used. More preferably, the injection molding material, e.g. thermosetting plastic, has sufficient thermal conductivity to enable the cooling of the power module. Even more preferably, the injection molding material has elastic properties. The person skilled in the art is familiar with suitable injection molding materials with current-insulating properties and, if appropriate, sufficient thermal conductivity and/or elastic properties. The encapsulation, preferably an overmolding or a potting compound, essentially forms a cuboid shape, wherein the circuit carrier is accommodated in the essentially cuboid-shaped encapsulation in such a way that it is essentially parallel to an encapsulation top side and an encapsulation bottom side of the essentially cuboid-shaped encapsulation, wherein the semiconductor switching elements are arranged on the top side of the circuit carrier. The best possible mechanical protection can be ensured by encapsulating the power module, with the exception of the end regions of the multiple power connections.
Geeignete Duroplaste umfassen bspw. Phenolharze, Polyurethane, Harnstoff- und Melaminharze, Polyesterharze, Epoxidharze, und Silikone. Vorzugsweise kann der Duroplast durch darin eingebettete Fasern, bspw. Glasfasern und/oder Carbonfasern, weiter verstärkt werden. Mehr bevorzugt bilden die eingebetteten Fasern ein flächiges Textil, bspw. ein Netz oder eine Matte, oder ein räumliches Textil, bspw. einen Schlauch.Suitable thermosets include, for example, phenolic resins, polyurethanes, urea and melamine resins, polyester resins, epoxy resins, and silicones. Preferably, the thermoset can be further reinforced by fibers embedded therein, e.g. glass fibers and/or carbon fibers. More preferably, the embedded fibers form a flat textile, e.g. a net or a mat, or a three-dimensional textile, e.g. a hose.
Gemäß einer Ausführungsform können die Endbereiche der mehreren Leistungsanschlüsse nach teilweisem Abtragen der Verkapselung elektrisch kontaktiert werden. Dies beschreibt den Fall, dass das Leistungsmodul bei der Herstellung anfänglich vollständig, einschließlich der Endbereiche, verkapselt wird. In einem anschließenden Schritt wird die Verkapselung abgetragen, bspw. durch mechanische Bearbeitung oder einen Laser, und dadurch die Endbereiche der mehreren Leistungsanschlüsse freigelegt.According to one embodiment, the end regions of the multiple power connections can be electrically contacted after partial removal of the encapsulation. This describes the case where the power module is initially completely encapsulated during production, including the end regions. In a subsequent step, the encapsulation is removed, for example by mechanical processing or a laser, and the end regions of the multiple power connections are thereby exposed.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Leistungsmodul ferner ein elektrisch leitfähiges Element auf, welches sich ausgehend von dem Schaltungsträger entlang einer zu einer Oberseite des Schaltungsträgers im Wesentlichen orthogonalen Richtung erstreckt und welches dazu angepasst ist einen Signalpin zum Übertragen von Steuersignalen zum Ansteuern der Halbleiterschaltelemente zu führen. Das elektrisch leitfähige Element kann hierzu den Signalpin (darin) aufnehmen und/oder diesen entlang einer Oberfläche des elektrisch leitfähigen Elements leiten. Der Signalpin ist dabei vorzugsweise an einem Ende davon mit der Verdrahtung zum Übertragen von Steuersignalen und mit einem anderen Ende davon mit einer Treibereinrichtung elektrisch verbunden. Das elektrisch leitfähige Element kann über eine Lötverbindung, Sinterverbindung, oder elektrisch leitende Klebeverbindung an dem Schaltungsträger befestigt werden. Dadurch kann der Signalpin gegenüber mechanischer Belastung, bspw. einem Verbiegen oder Zerbrechen, bspw. bei der Herstellung des Leistungsmoduls, geschützt werden.According to one embodiment, the power module further comprises an electrically conductive element which extends from the circuit carrier along a direction substantially orthogonal to a top side of the circuit carrier and which is adapted to guide a signal pin for transmitting control signals for controlling the semiconductor switching elements. For this purpose, the electrically conductive element can accommodate the signal pin (in it) and/or guide it along a surface of the electrically conductive element. The signal pin is preferably electrically connected at one end thereof to the wiring for transmitting control signals and at another end thereof to a driver device. The electrically conductive element can be attached to the circuit carrier via a soldered connection, sintered connection, or electrically conductive adhesive connection. This allows the signal pin to be protected against mechanical stress, e.g. bending or breaking, e.g. during production of the power module.
Gemäß einer Ausführungsform ist das elektrisch leitfähige Element als Abstandshalter bzw. Spacer, Stehhülse, oder verschlossene Hohlhülse ausgebildet. Der Abstandshalter kann dabei den Signalpin an einer Oberfläche davon bis bspw. zur Verkapselungsoberseite leiten bzw. führen. Die Stehhülse oder verschlossene Hohlhülse kann den Signalpin darin aufnehmen und diesen bis bspw. zur Verkapselungsoberseite leiten bzw. führen. Der Abstandshalter, die Stehhülse oder verschlossene Hohlhülse kann hierbei über eine Lötverbindung, Sinterverbindung, oder elektrisch leitende Klebeverbindung an dem Schaltungsträger angebracht werden. Hierdurch kann ein verbesserter Schutz des Signalpins sichergestellt werden.According to one embodiment, the electrically conductive element is designed as a spacer, standing sleeve, or closed hollow sleeve. The spacer can hold the signal pin on one surface thereof up to, for example, the The standing sleeve or closed hollow sleeve can accommodate the signal pin and guide or lead it to the top of the encapsulation. The spacer, the standing sleeve or closed hollow sleeve can be attached to the circuit carrier using a solder joint, sinter joint or electrically conductive adhesive joint. This can ensure improved protection of the signal pin.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren 8 eines oder mehrere des (a) Unterseitigen Anbindens der mehrerer Halbleiterschaltelemente (14) an den Schaltungsträger, des (b) Oberseitigen Anbindens der mehreren Halbleiterschaltelemente an die Verdrahtung, und des (c) Anbringens der mehreren Leistungsanschlüsse über eine Lötverbindung, Sinterverbindung, oder elektrisch leitende Klebeverbindung, vorzugsweise wobei zwei oder drei der Schritte (a), (b), und (c) gleichzeitig erfolgen. Dadurch kann das Herstellungsverfahren weiter vereinfacht werden.According to one embodiment, the method 8 comprises one or more of (a) connecting the plurality of semiconductor switching elements (14) to the circuit carrier on the underside, (b) connecting the plurality of semiconductor switching elements to the wiring on the top side, and (c) attaching the plurality of power connections via a solder connection, sintered connection, or electrically conductive adhesive connection, preferably wherein two or three of the steps (a), (b), and (c) take place simultaneously. This allows the manufacturing process to be further simplified.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Leistungsmodul als Halbrückenmodul mit einer Modulhighside und einer Modullowside ausgebildet, wobei die Modulhighside und die Modullowside jeweils ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente umfassen. In diesem Fall kann das Halbbrückenmodul selbst als eine vollständige Halbbrücke fungieren. Alternativ können mehrere Halbbrückenmodule miteinander kombiniert werden, um eine hinsichtlich der maximal tragbaren Strommenge erweiterte Halbbrücke zu bilden. Die Modulhighsides sind zueinander parallelgeschaltet, um eine Highside der kombinierten Halbbrücke zu bilden. Gleichzeitig sind die Modullowsides zueinander parallelgeschaltet, um eine Lowside der kombinierten Halbbrücke zu bilden. In einem Stromrichter, insbesondere einem Wechselrichter, können mehrere, beispielsweise drei, solche kombinierten Halbbrücken verwendet werden, wobei jede kombinierte Halbbrücke eine Phaseneinheit bildet, an deren Stromausgang einer von mehreren Phasenströmen des AC-Stroms erzeugt wird.According to a further embodiment, the power module is designed as a half-bridge module with a module high side and a module low side, wherein the module high side and the module low side each comprise one or more semiconductor switching elements connected in parallel. In this case, the half-bridge module itself can function as a complete half-bridge. Alternatively, several half-bridge modules can be combined with one another to form a half-bridge that is expanded in terms of the maximum amount of current that can be carried. The module high sides are connected in parallel to one another to form a high side of the combined half bridge. At the same time, the module low sides are connected in parallel to one another to form a low side of the combined half bridge. In a power converter, in particular an inverter, several, for example three, such combined half bridges can be used, wherein each combined half bridge forms a phase unit, at the current output of which one of several phase currents of the AC current is generated.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Stromrichter zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs, insbesondere einer im Letzteren verbauten elektrischen Maschine mit einem solchen Leistungsmodul, einen entsprechenden elektrischen Achsantrieb sowie ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb. Der Stromrichter kann einen Wechselrichter oder einen Gleichrichter aufweisen. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul beschriebenen Vorteile auch für den erfindungsgemäßen Stromrichter, den erfindungsgemäßen elektrischen Achsantrieb und das erfindungsgemäße Fahrzeug.The invention further relates to a power converter for supplying current to an electric axle drive, in particular an electric machine installed in the latter with such a power module, a corresponding electric axle drive and a vehicle with such an electric axle drive. The power converter can have an inverter or a rectifier. This results in the advantages already described in connection with the power module according to the invention also for the power converter according to the invention, the electric axle drive according to the invention and the vehicle according to the invention.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung betrifft der Ausdruck wie eine im Wesentlichen orthogonale Richtung" eine Richtung in Bezug auf eine durch das Leistungsmodul definierte Ebene, insbesondere den Schaltungsträger. Ausdrücke wie „Oberseite“ und „Unterseite“ bzw. „oberseitig“ und „unterseitig“ betreffen gegenüberliegende Seiten des genannten Körpers, wobei diese Seiten im Wesentlichen parallel zu dem Leistungsmodul, insbesondere dem Schaltungsträger, vorliegen. Ausdrücke wie „im Wesentlichen orthogonal“ bzw. „im Wesentlichen parallel“ betreffen eine Abweichung von weniger als ±10°, vorzugsweise von weniger als ±2°, von der genannten Richtung. Ausdrücke wie „im Wesentlichen eine Quaderform” bzw. „im Wesentlichen quaderförmig“ betreffen einen sechsflächigen Körper, wobei an angrenzenden Flächen Ecken ausgebildet sind, die jedoch auch abgerundet sein können. Gegenüberliegende Flächen, bspw. Oberseite und Unterseite, des „im Wesentlichen quaderförmigen“ Körpers liegen nicht notwendigerweise parallel zueinander vor, sondern können auch eine Abweichung von weniger als ±5°, vorzugsweise von weniger als ±1 °, von der genannten Richtung aufweisen. Eine Fläche des „im Wesentlichen quaderförmigen“ Körpers kann auch eine Hyperfläche sein, wobei die Fläche vorzugsweise planar ist.In the context of the present disclosure, the expression "such as a substantially orthogonal direction" refers to a direction in relation to a plane defined by the power module, in particular the circuit carrier. Expressions such as "top" and "bottom" or "upper side" and "lower side" refer to opposite sides of the body mentioned, wherein these sides are substantially parallel to the power module, in particular the circuit carrier. Expressions such as "substantially orthogonal" or "substantially parallel" refer to a deviation of less than ±10°, preferably less than ±2°, from the direction mentioned. Expressions such as "substantially cuboidal" or "substantially cuboidal" refer to a hexahedral body, wherein corners are formed on adjacent surfaces, but these corners can also be rounded. Opposite surfaces, e.g. top and bottom, of the "substantially cuboidal" body are not necessarily parallel to one another, but can also have a deviation of less than ±5°, preferably less than ±1°, from the direction mentioned. A surface of the “essentially cuboid” body can also be a hypersurface, whereby the surface is preferably planar.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.The invention is explained below by way of example using embodiments shown in the figures.
Es zeigen:
-
1 a -b eine schematische Ansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer Ausführungsform in seitlicher Schnittansicht, -
2a -h eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Leistungsmoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform in seitlicher Schnittansicht und ggf. Perspektivansicht, -
3a -b eine schematische Darstellung der Verdrahtung der Halbleiterschaltelemente durch Bändchenbonds in Perspektivansicht, -
4a -b eine schematische Darstellung der Verdrahtung der Halbleiterschaltelemente durch Stanzgitter in Perspektivansicht, und -
5 eine schematische Darstellung der Bereitstellung eines elektrisch leitendes Elements auf einem Schaltungsträger.
-
1 a -b a schematic view of a power module according to an embodiment in a side sectional view, -
2a -h a schematic representation of a method for producing a power module according to a further embodiment in a side sectional view and possibly a perspective view, -
3a -b a schematic representation of the wiring of the semiconductor switching elements by ribbon bonds in perspective view, -
4a -b a schematic representation of the wiring of the semiconductor switching elements by punched grid in perspective view, and -
5 a schematic representation of the provision of an electrically conductive element on a circuit carrier.
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.Identical objects, functional units and comparable components are designated with the same reference symbols throughout the figures. These objects, functional units and comparable components are identical in terms of their technical features, unless the description explicitly or implicitly indicates otherwise.
Aus
Das Leistungsmodul 10 ist ferner in eine Verkapselung 20 (bzw. Verkleidung) aus einem stromisolierenden Material, insbesondere einem Duroplast, derart aufgenommen, dass lediglich Endbereiche 181a,b der zwei Leistungsanschlüsse 18a,b kontaktiert werden können. Aus
Aus
Ausgehen von einem in
Weiterhin werden, wie in
In einem nächsten, in
In einem letzten, wie in
In einem nächsten, in
In einem weiteren, in
In
BezugszeichenReference symbols
- 1010
- LeistungsmodulPower module
- 1212
- SchaltungsträgerCircuit carrier
- 12a12a
- erste elektrisch leitende Schichtfirst electrically conductive layer
- 12b12b
- IsolationsschichtInsulation layer
- 12a12a
- zweite elektrisch leitende Schichtsecond electrically conductive layer
- 1414
- HalbleiterschaltelementSemiconductor switching element
- 16a,b16a,b
- Verdrahtungwiring
- 17a17a
- BonddrähteBond wires
- 17b17b
- StanzgitterPunched grid
- 18a,b18a,b
- LeistungsanschlussPower connection
- 2020
- Verkapselungencapsulation
- 2222
- elektrisch leitfähiges Elementelectrically conductive element
- 24a, b24a, b
- StromschieneBusbar
- 2525
- AnschlussConnection
- 121121
- OberseiteTop
- 181a, b181a, b
- EndbereichEnd area
- 201201
- Oberflächesurface
- 202202
- VerkapselungsoberseiteEncapsulation top
- 203203
- VerkapselungsunterseiteEncapsulation bottom
Claims (12)
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Applications Claiming Priority (1)
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-
2022
- 2022-11-03 DE DE102022211620.8A patent/DE102022211620A1/en active Pending
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