DE102022213003A1 - Power module for a converter with twisted signal pin pairs for control signal routing - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul (10) für einen Wandler zur Verwendung in einem zumindest teilelektrifizierten Fahrzeug, wobei das Leistungsmodul (10) einen oder mehrere Leistungsschalter aufweist, die zum Umwandeln eines Eingangsstroms in einen Ausgangsstrom schaltbar und auf einem Schaltungsträger (26) angebracht sind, wobei das Leistungsmodul (10) eine Leiterplatte (29) aufweist, die mit Bauteilen einer Steuereinrichtung (30a-b) zum Erzeugen von Steuersignalen bestückt ist, wobei das Leistungsmodul (10) mehrere Signalpins (20,20a-b,22,22a-b) zum Übertragen der Steuersignale auf die Leistungsschalter aufweist, die einerseits mit dem Schaltungsträger (26) und andererseits mit der Leiterplatte (29) elektrisch verbunden sind, wobei die Signalpins (20,20a-b,22,22a-b) ein oder mehrere Signalpinpaare (24,24a-b) jeweils bestehend aus zwei miteinander verdrillten Signalpins (20,20a-b,22,22a-b) umfassen.The present invention relates to a power module (10) for a converter for use in an at least partially electrified vehicle, wherein the power module (10) has one or more power switches which can be switched to convert an input current into an output current and are mounted on a circuit carrier (26), wherein the power module (10) has a circuit board (29) which is equipped with components of a control device (30a-b) for generating control signals, wherein the power module (10) has several signal pins (20,20a-b,22,22a-b) for transmitting the control signals to the power switches which are electrically connected on the one hand to the circuit carrier (26) and on the other hand to the circuit board (29), wherein the signal pins (20,20a-b,22,22a-b) have one or more signal pin pairs (24,24a-b) each consisting of two signal pins twisted together (20,20a-b,22,22a-b).
Description
Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul für einen Wandler zur Verwendung in einem zumindest teilelektrifizierten Fahrzeug, insbesondere einem Batterieelektrofahrzeug, einem Brennstoffzellenfahrzeug oder einem Hybridfahrzeug. Außerdem betrifft die Erfindung einen elektrischen Achsantrieb mit einem solchen Leistungsmodul sowie ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb.The invention relates to a power module for a converter for use in an at least partially electrified vehicle, in particular a battery electric vehicle, a fuel cell vehicle or a hybrid vehicle. The invention also relates to an electric axle drive with such a power module 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. Derartige elektrifizierten Fahrzeuge verwenden in der Regel eine wiederaufladbare Fahrzeugantriebsbatterie, die eine Gleichspannung (DC-Spannung) bereitstellt, mittels derer die elektrischen Maschinen bestromt werden. Dazu wird die DC-Spannung mittels eines DC/AC-Wechselrichters (DC/AC-Wandler bzw. Inverter) in eine Wechselspannung (AC-Spannung) umgewandelt, um die elektrischen Maschinen jeweils mit einem mehrphasigen Wechselstrom (AC-Strom) zu bestromen.Pure electric vehicles and hybrid vehicles are known in the state of the art, which are powered exclusively or with the support of one or more electric machines as drive units. Such electrified vehicles generally use a rechargeable vehicle drive battery that provides a direct current (DC voltage) by means of which the electric machines are powered. To do this, the DC voltage is converted into an alternating current (AC voltage) by means of a DC/AC inverter in order to power the electric machines with a multi-phase alternating current (AC current).
Das Kernbauteil derartiger Wandler bildet eine Leistungselektronik, welche eine Vielzahl von Leistungsschaltern aufweist. Diese Leistungsschalter sind derart zueinander verschaltet, um eine Halbbrückenanordnung zu bewerkstelligen, die eine oder mehrere Halbbrücken umfasst. Jede Halbbrücke setzt sich aus einer Highside-Einrichtung und einer Lowside-Einrichtung zusammen, die jeweils einen oder mehrere parallelgeschaltete Leistungsschalter aufweisen. Jeder Leistungsschalter umfasst eine pluspolige Stromelektrode (z.B. Drain-Elektrode), eine minuspolige Stromelektrode (z.B. Source-Elektrode) und eine Steuerelektrode (z.B. Gate-Elektrode).The core component of such converters is a power electronics system, which has a large number of power switches. These power switches are interconnected to form a half-bridge arrangement comprising one or more half-bridges. Each half-bridge is made up of a high-side device and a low-side device, each of which has one or more power switches connected in parallel. Each power switch comprises a positive-pole current electrode (e.g. drain electrode), a negative-pole current electrode (e.g. source electrode) and a control electrode (e.g. gate electrode).
Zwecks Spannungsumwandlung werden die Leistungsschalter gezielt geschaltet. Zum Schalten eines Leistungsschalters werden Steuersignale auf die Steuerelektrode des Leistungsschalters eingeprägt. Die Steuersignale werden durch einen Ansteuerpfad getragen, der eine Steuereinrichtung mit der Steuerelektrode signaltechnisch verbindet. Hierzu dienen bei den aus dem Stand der Technik bekannten Leistungsmodulen Signalpins, die jeweils einerseits mit einer Steuerelektrode und andererseits mit einer Leiterplatte elektrisch verbunden sind, die mit den Bauteilen der Steuereinrichtung bestückt ist.The power switches are switched in a targeted manner for the purpose of voltage conversion. To switch a power switch, control signals are impressed on the control electrode of the power switch. The control signals are carried by a control path that connects a control device to the control electrode in terms of signal technology. In the power modules known from the prior art, signal pins are used for this purpose, which are each electrically connected on the one hand to a control electrode and on the other hand to a circuit board that is equipped with the components of the control device.
Die bekannten Leistungsmodule weisen jedoch den Nachteil auf, dass die dortige Anordnung der Signalpins bauartbedingt mit einer hohen Koppelinduktivität zwischen dem Ansteuerpfad (z.B. Gate-Loop) und dem Lastpfad (z.B. Source-Loop) behaftet ist, sodass durch den zeitlich veränderlichen Laststrom induzierte elektromagnetische Felder leicht in den Ansteuerpfad einkoppeln. Dies führt insbesondere während Schaltvorgänge der Leistungsschalter zu parasitären Effekten wie Parasitic Turn On (PTO) und Überschreiten der Safety Operating Areas der Leistungsschalter und stellt eine hohe Beeinträchtigungsgefahr für den gesamten Wandler dar.However, the known power modules have the disadvantage that the arrangement of the signal pins there is, due to their design, subject to a high coupling inductance between the control path (e.g. gate loop) and the load path (e.g. source loop), so that electromagnetic fields induced by the time-varying load current can easily couple into the control path. This leads to parasitic effects such as parasitic turn on (PTO) and exceeding the safety operating areas of the power switches, particularly during switching operations of the power switches, and represents a high risk of impairment for the entire converter.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Leistungsmodul für einen Wandler bereitzustellen, bei dem der vorstehend beschriebene Nachteil zumindest teilweise behoben sind.It is an object of the invention to provide a power module for a converter in which the disadvantage described above is at least partially eliminated.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Leistungsmodul, den Wandler, 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 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 Wandler zum Betreiben eines elektrischen Achsantriebs in einem zumindest teilelektrifizierten Fahrzeug wie Elektrofahrzeug und/oder Hybridfahrzeug. Der Wandler ist beispielsweise ein DC/AC-Wechselrichter (Inverter). In diesem Fall handelt es sich beim Eingangsstrom um einen von einer DC-Spannungsquelle, etwa einer wiederaufladbaren Fahrzeugantriebsbatterie, bereitgestellten DC-Strom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen AC-Strom mit mehreren Phasenströmen handelt. Alternativ ist der Wandler als AC/DC-Gleichrichter (Konverter) ausgebildet, um zum Beispiel die Fahrzeugantriebsbatterie wiederaufzuladen. Hierzu wird eine AC-Eingangsspannung, die von einer AC-Spannungsversorgung (z.B. Ladestation) bereitgestellt wird, über den AC/DC-Gleichrichter in eine DC-Ausgangsspannung umgewandelt, die dann der Fahrzeugantriebsbatterie zuführbar ist. Weiter alternativ ist der Wandler als DC/DC-Wandler eingesetzt, um eine DC-Eingangsspannung an die DC-Betriebsspannung (Nennspannung) der Fahrzeugantriebsbatterie anzupassen, beispielsweise von 400V auf 800V hochzusetzen.The invention relates to a power module for a converter for operating an electric axle drive in an at least partially electrified vehicle such as an electric vehicle and/or hybrid vehicle. The converter is, for example, a DC/AC inverter. In this case, the input current is a DC current provided by a DC voltage source, such as a rechargeable vehicle drive battery, and the output current is an AC current with multiple phase currents. Alternatively, the converter is designed as an AC/DC rectifier (converter) in order to recharge the vehicle drive battery, for example. For this purpose, an AC input voltage provided by an AC voltage supply (e.g. charging station) is converted via the AC/DC rectifier into a DC output voltage, which can then be fed to the vehicle drive battery. Alternatively, the converter is used as a DC/DC converter to adapt a DC input voltage to the DC operating voltage (nominal voltage) of the vehicle drive battery, for example to increase it from 400V to 800V.
Das Leistungsmodul umfasst zumindest einen Leistungsschalter, vorzugsweise mehrere Leistungsschalter, zum Einspeisen des Eingangsstroms und zum Erzeugen des Ausgangsstroms basierend auf dem eingespeisten Eingangsstrom mittels Schaltens der Leistungsschalter. Im Fall eines mehrphasigen DC/AC-Wechselrichters umfasst die gesamte Leistungselektronik mehrere (beispielsweise drei) Phasen, die jeweils eine Halbbrücke aufweisen. Jede Phase bzw. Halbbrücke dient zum Umwandeln des eingespeisten DC-Stroms in einen Phasenstrom mittels Schaltens der dazugehörigen Leistungsschalter, wobei die mehreren auf diese erzeugten Phasenströme voneinander phasenverschoben sind und jeweils in eine Wicklung der E-Maschine geführt werden, um den elektrischen Achsantrieb zu bestromen. Die Halbbrücken weisen jeweils eine Highside mit einem höheren elektrischen Potential und eine Lowside mit einem niedrigeren elektrischen Potential auf. Im Fall eines mehrphasigen AC/DC-Gleichrichters umfasst die gesamte Leistungselektronik ebenfalls mehrere (beispielsweise drei) Phasen, wobei die Leistungsschalter dazu geschaltet werden, um die Phasenversätze zwischen den Phasenströmen des eingespeisten AC-Stroms aufzuheben, woraus ein DC-Strom am Ausgang resultiert.The power module comprises at least one power switch, preferably a plurality of power switches, for feeding in the input current and for generating the output current based on the fed-in input current by switching the power switches. In the case of a multi-phase DC/AC inverter, the entire power electronics comprises a plurality of (for example three) phases, each of which has a half-bridge. Each phase or half-bridge is used to convert the fed-in DC current into a phase current by switching the associated power switches, wherein the plurality of these generated phase currents are phase-shifted from one another and are each fed into a winding of the electric machine to supply current to the electric axle drive. The half-bridges each have a high side with a higher electrical potential and a low side with a lower electrical potential. In the case of a multi-phase AC/DC rectifier, the entire power electronics also comprises several (for example three) phases, with the power switches being switched to cancel the phase offsets between the phase currents of the fed-in AC current, resulting in a DC current at the output.
Es sind verschiedene Konfigurationen des Leistungsmoduls denkbar. Beispielsweise kann das Leistungsmodul als sogenanntes Halbbrückenmodul ausgebildet sein, welches eine Modulhighside und eine Modullowside mit jeweils einem einzigen Leistungsschalter oder mehreren parallelgeschalteten Leistungsschaltern aufweist. In diesem Fall kann jede Phase des gesamten Wandlers ein einziges Halbbrückenmodul oder mehrere parallelgeschaltete Halbbrückenmodule umfassen. Im ersteren Fall ist die Highside der Phase durch die Modulhighside und die Lowside der Phase durch die Modullowside des einzigen Halbbrückenmoduls gebildet. Im letzteren Fall ist die Highside der Phase durch eine Parallelschaltung der Modulhighsides der parallelgeschalteten Halbbrückenmodule gebildet, wobei die Lowside der Phase durch eine Parallelschaltung der Modullowsides der parallelgeschalteten Halbbrückenmodule gebildet ist. Alternativ kann das Leistungsmodul nur eine Modulhighside oder eine Modullowside umfassen. Der Fall, in dem das Leistungsmodul einen einzigen Leistungsschalter aufweist, tritt dann auf, wenn die Modulhighside oder die Modullowside nur einen einzigen Leistungsschalter umfasst. Weiter alternativ kann sich das Leistungsmodul auf die Gesamtheit der parallelgeschalteten Halbbrückenmodule einer Phase, oder auf die Gesamtheit der parallelgeschalteten Modulhighsides bzw. Modullowsides einer Phase beziehen.Various configurations of the power module are conceivable. For example, the power module can be designed as a so-called half-bridge module, which has a module high side and a module low side, each with a single power switch or several power switches connected in parallel. In this case, each phase of the entire converter can comprise a single half-bridge module or several half-bridge modules connected in parallel. In the former case, the high side of the phase is formed by the module high side and the low side of the phase is formed by the module low side of the single half-bridge module. In the latter case, the high side of the phase is formed by a parallel connection of the module high sides of the half-bridge modules connected in parallel, with the low side of the phase being formed by a parallel connection of the module low sides of the half-bridge modules connected in parallel. Alternatively, the power module can comprise only one module high side or one module low side. The case in which the power module has a single power switch occurs when the module high side or the module low side comprises only a single power switch. Alternatively, the power module can refer to the totality of the parallel-connected half-bridge modules of a phase, or to the totality of the parallel-connected module high sides or module low sides of a phase.
Die Leistungsschalter sind vorzugsweise Transistoren, wie MOSFETs, HEMTs und/oder IGBTs. Das den Leistungsschaltern zugrundeliegende Halbleitermaterial ist vorzugsweise Silizium oder ein sogenannter Halbleiter mit einer großen Bandlücke (Engl.: Wide Bandgap Semiconductors, WBG), etwa Siliziumcarbid, Galliumnitrid oder Galliumoxid. Die Leistungsschalter sind außerdem vorzugsweise auf einem Schaltungsträger, z.B. einer Leiterplatte/Platine wie Printed-Circuit-Board (PCB), oder einem mehrschichtigen, zumindest teilweise mit einem Metall (z.B. Kupfer) beschichteten keramischen Substrat wie Direct-Bonded-Copper (DBC), Direct-Plated-Copper (DPC) oder Active-Metal-Bonding (AMB). Vorzugsweise sind die Leistungsschalter auf einer ersten Metallschicht des Schaltungsträgers angeordnet, wobei eine zweite Metallschicht des Schaltungsträgers an einen Kühler angebunden ist. Zwischen der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht ist vorzgsweise eine Isolationsschicht angeordnet.The power switches are preferably transistors, such as MOSFETs, HEMTs and/or IGBTs. The semiconductor material on which the power switches are based is preferably silicon or a so-called wide bandgap semiconductor (WBG), such as silicon carbide, gallium nitride or gallium oxide. The power switches are also preferably on a circuit carrier, e.g. a circuit board/circuit board such as a printed circuit board (PCB), or a multilayer ceramic substrate at least partially coated with a metal (e.g. copper), such as direct bonded copper (DBC), direct plated copper (DPC) or active metal bonding (AMB). The power switches are preferably arranged on a first metal layer of the circuit carrier, with a second metal layer of the circuit carrier being connected to a cooler. An insulation layer is preferably arranged between the first metal layer and the second metal layer.
Die Leistungsschalter umfassen jeweils eine pluspolige bzw. gesteuerte Stromelektrode (z.B. Drain-Elektrode), eine minuspolige bzw. auf ein Massepotential gelegte Stromelektrode (z.B. Source-Elektrode) und eine Steuerelektrode (z.B. Gate-Elektrode). Die pluspolige Stromelektrode und die minuspolige Stromelektrode bilden zusammen mit der dazwischen befindlichen Halbleiterstruktur einen Lastpfad des jeweiligen Leistungsschalters, durch den der Laststrom in einem geöffneten (leitenden) Zustand des Leistungsschalters fließt. Das Massepotential wird vorzugsweise durch eine metallische Schicht des Schaltungsträgers, auf der die Leistungsschalter angeordnet sind, bereitgestellt. Zum Einspeisen des Eingangsstroms (Laststroms) in das Leistungsmodul oder zur Entnahme des Ausgangsstroms aus dem Leistungsmodul sind mehrere Leistungsanschlüsse im Leistungsmodul vorgesehen, die mit den Stromelektroden des jeweiligen Leistungsschalters elektrisch verbunden sind. Die Leistungsanschlüsse werden an Stromschienen (Busbars) angebunden, um eine Stromführung mit weiteren Bauteilen des Wandlers, etwa einem Zwischenkreiskondensator im Fall eines DC/AC-Wechselrichters, oder einer externen Einheit wie den Wicklungen der zu bestromenden E-Maschine, zu ermöglichen. Die Stromführung innerhalb des Leistungsmoduls, beispielsweise zwischen den einzelnen Leistungsschaltern, erfolgt mit Hilfe mehrerer Stromleitungen, die beispielsweise als Drahtbonden ausgebildet oder in einem Leiterrahmen integriert sind.The power switches each comprise a positive-pole or controlled current electrode (e.g. drain electrode), a negative-pole or ground-potential current electrode (e.g. source electrode) and a control electrode (e.g. gate electrode). The positive-pole current electrode and the negative-pole current electrode, together with the semiconductor structure located between them, form a load path of the respective power switch through which the load current flows when the power switch is open (conductive). The ground potential is preferably provided by a metallic layer of the circuit carrier on which the power switches are arranged. To feed the input current (load current) into the power module or to take the output current from the power module, several power connections are provided in the power module, which are electrically connected to the current electrodes of the respective power switch. The power connections are connected to busbars to enable current to be carried to other components of the converter, such as an intermediate circuit capacitor in the case of a DC/AC inverter, or an external unit such as the windings of the electric motor to be powered. Current is carried within the power module, for example between the individual circuit breakers, using several power lines, which are designed as wire bonds or integrated in a conductor frame.
Zusätzlich umfasst das Leistungsmodul eine Leiterplatte, die mit elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen einer Steuereinrichtung zum Erzeugen von Steuersignalen zum Schalten der Leistungsschalter bestückt ist. Die Leiterplatte kann als Platine, insbesondere Treiber-Platine, ausgebildet sein. Vorzugsweise erstreckt sich die Leiterplatte in einer zum Schaltungsträger im Wesentlichen parallelen Ebene.In addition, the power module comprises a circuit board which is equipped with electrical and/or electronic components of a control device for generating control signals for switching the power switches. The circuit board can be designed as a circuit board, in particular a driver board. The circuit board preferably extends in a plane that is essentially parallel to the circuit carrier.
Erfindungsgemäß weist das Leistungsmodul mehrere Signalpins zum Übertragen der Steuersignale auf die Leistungsschalter auf. Die Signalpins sind einerseits mit dem Schaltungsträger und andererseits mit der Leiterplatte elektrisch verbunden, wobei die Signalpins ein oder mehrere Signalpinpaare jeweils bestehend aus zwei zueinander verdrillten Signalpins umfassen. In jedem Signalpinpaar verlaufen zwei Signalpins, die jeweils eine Signalleitung darstellen, wobei die Signalleitungen miteinander verdrillt beziehungsweise gegeneinander verwunden und schraubenförmig umeinandergewickelt sind. Ein erster Signalpin des jeweiligen Signalpinpaars kann mit einer Steuerelektrode (z.B. Gate-Elektrode) eines entsprechenden Leistungsschalters elektrisch verbunden sein, wobei ein zweiter Signalpin des jeweiligen Signalpinpaars mit einer minuspoligen Stromelektrode (z.B. Source-Elektrode) des entsprechenden Leistungsschalters elektrisch verbunden sein kann.According to the invention, the power module has several signal pins for transmitting the control signals to the power switches. The signal pins are electrically connected to the circuit carrier on the one hand and to the circuit board on the other hand, wherein the signal pins comprise one or more signal pin pairs, each consisting of two signal pins twisted together. Two signal pins run in each signal pin pair, each representing a signal line, wherein the signal lines are connected to one another. which are twisted or wound against each other and wound around each other in a helical manner. A first signal pin of the respective signal pin pair can be electrically connected to a control electrode (eg gate electrode) of a corresponding power switch, wherein a second signal pin of the respective signal pin pair can be electrically connected to a negative-pole current electrode (eg source electrode) of the corresponding power switch.
Einer oder mehrere der Signalpins können zum Übertragen von Steuersignalen auf sogenannte Hilfsschalter, d.h. Halbleiterschalter, die nicht Teil einer Highside oder Lowside in einer Halbbrücke sind, ausgebildet sein. Als Beispiele für Hilfsschalter sind Active-Miller-Clamping, ACM, -Hilfsschalter, Kurzschlussschutz-Hilfsschalter, Temperatursensor-Hilfsschalter und Stromsensor-Hilfsschalter denkbar. Die vorliegende Erfindnung ist jedoch nicht hierauf eingeschränkt. Analog zu Leistungsschaltern wird in diesem Fall ein erster Signalpin eines Signalpinpaars mit einer Steuerelektrode (z.B. Gate-Elektrode) des Hilfsschalters elektrisch verbunden, wobei ein zweiter Signalpin des Signalpinpaars mit einer minuspoligen Stromelektrode (z.B. Source-Elektrode) des Hilfsschalters elektrisch verbunden wird.One or more of the signal pins can be designed to transmit control signals to so-called auxiliary switches, i.e. semiconductor switches that are not part of a high side or low side in a half-bridge. Examples of auxiliary switches include active Miller clamping, ACM, auxiliary switches, short-circuit protection auxiliary switches, temperature sensor auxiliary switches and current sensor auxiliary switches. However, the present invention is not limited to this. Analogous to power switches, in this case a first signal pin of a signal pin pair is electrically connected to a control electrode (e.g. gate electrode) of the auxiliary switch, with a second signal pin of the signal pin pair being electrically connected to a negative-pole current electrode (e.g. source electrode) of the auxiliary switch.
Durch das Verdrillen der Signalpinpaare bzw. Twisted Pair Cable (TPC) können sich Beeinflussungen durch äußere elektromagnetisch Felder größtenteils gegenseitig aufheben. Auf diese Weise werden vorteilhafterweise das Übersprechen zwischen den paarweise geführten Signalleitungen minimiert, sodass eine Gleichtaktunterdrückung erzielt wird. Die Gate-Loop-Induktivität kann hierdurch reduziert werden. Daher ermöglichen verdrillte Signalpinpaare, insbesondere gegenüber parallel geführten Signalleitungen, einen besseren Schutz gegenüber elektrischen und magnetischen Störeinkopplungen.By twisting the signal pin pairs or twisted pair cables (TPC), the influences from external electromagnetic fields can largely cancel each other out. In this way, crosstalk between the signal lines routed in pairs is advantageously minimized, so that common-mode rejection is achieved. The gate loop inductance can be reduced as a result. Twisted signal pin pairs therefore provide better protection against electrical and magnetic interference, especially compared to signal lines routed in parallel.
Zusätzlich lässt sich aufgrund der paarweise verdrillten Anordnung der Signalpins eine Formflexibilität der vorzugsweise als Kabel vorliegenden Signalpinpaare erreichen, die einen Toleranzausgleich mit erhöhtem Bewegungsfreiheitsgrad beim Anbringen der Signalpins am Leistungsmodul ermöglicht. Alternativ können die Signalpinpaare aus einem elektrisch leitfähigen Massivmaterial gebildet werden. Die Signalpinpaare können jeweils mittels einer Steckverbindung, einer Lötverbindung (z.B. Thermodenlöten), einer Schweißverbindung (z.B. Ultraschallverschweißen) oder einer metallischen Verbindung an die Leiterplatte und/oder an den Schaltungsträger angebunden sein. Die Anbindungsweise ist jedoch nicht auf die vorstehend genannten Beispiele eingeschränkt.In addition, the twisted arrangement of the signal pins in pairs allows for a form flexibility of the signal pin pairs, which are preferably in the form of cables, which enables tolerance compensation with an increased degree of freedom of movement when attaching the signal pins to the power module. Alternatively, the signal pin pairs can be made of an electrically conductive solid material. The signal pin pairs can each be connected to the circuit board and/or the circuit carrier by means of a plug connection, a solder connection (e.g. thermode soldering), a weld connection (e.g. ultrasonic welding) or a metallic connection. However, the method of connection is not limited to the examples mentioned above.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Signalpinpaare jeweils zumindest abschnittsweise mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung umhüllt. Diese Maßnahme gewährleistet eine sichere elektrische Isolierung der Signalpins und einen Schutz vor äu-ßeren Einflüssen wie mechanischen Stößen. Jedem Signalpinpaar kann eine isolierende Beschichtung in einer Eins-zu-eins-Entsprechung zugeordnet sein. Alternativ können mehrere Signalpinpaare von einer gleichen isolierenden Beschichtung umhüllt sein.According to one embodiment, the signal pin pairs are each covered at least in sections with an electrically insulating coating. This measure ensures reliable electrical insulation of the signal pins and protection against external influences such as mechanical shocks. Each signal pin pair can be assigned an insulating coating in a one-to-one correspondence. Alternatively, several signal pin pairs can be covered by the same insulating coating.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Signalpinpaare jeweils zumindest abschnittsweise mit einer elektromagnetischen Abschirmung umhüllt. Diese Maßnahme stellt vorteilhafterweise einen zusätzlichen Schirm vor elektromagnetischen Störeinkopplungen neben der verdrillten Anordnung der Signalpinpaare bereit. Die elektromagnetische Abschirmung kann beispielsweise als metallische Innenlage (etwa Kupferlage) innerhalb der elektrisch isolierenden Beschichtung integriert sein. Eine metallische Innenlage bezeichnet dabei z.B. eine metallische Ummantelung des Signalpinpaares.According to a further embodiment, the signal pin pairs are each covered at least in sections with an electromagnetic shield. This measure advantageously provides an additional shield against electromagnetic interference in addition to the twisted arrangement of the signal pin pairs. The electromagnetic shield can be integrated, for example, as a metallic inner layer (such as a copper layer) within the electrically insulating coating. A metallic inner layer refers, for example, to a metallic sheathing of the signal pin pair.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Wandler mit einem Leistungsmodul nach einer der hier beschriebenen Ausführungsformen, einen entsprechenden elektrischen Achsantrieb umfassend einen solchen Wandler sowie ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb. Wie vorstehend beschrieben kann der Wandler einen DC/AC-Wechselrichter, einen AC/DC-Gleichrichter oder einen DC/DC-Wandler aufweisen, wobei die Erfindung nicht auf diese rein beispielhaften Wandlerbauformen eingeschränkt ist, sondern allgemein in halbleiterbasierten Leistungselektroniken einsetzbar ist. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemä-ßen Leistungsmodul beschriebenen Vorteile auch für den erfindungsgemäßen Wandler, den erfindungsgemäßen elektrischen Achsantrieb und das erfindungsgemäße Fahrzeug.The invention further relates to a converter with a power module according to one of the embodiments described here, a corresponding electric axle drive comprising such a converter and a vehicle with such an electric axle drive. As described above, the converter can have a DC/AC inverter, an AC/DC rectifier or a DC/DC converter, whereby the invention is not restricted to these purely exemplary converter designs, but can generally be used in semiconductor-based power electronics. This results in the advantages already described in connection with the power module according to the invention also for the converter according to the invention, the electric axle drive according to the invention and the vehicle according to the invention.
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 eine schematische Darstellung des Leistungsmoduls mit Signalpinpaaren bestehend jeweils aus zwei verdrillten Signalpins gemäß einer Ausführungsform in einer Seitenansicht; -
2 eine schematische Darstellung des Leistungsmoduls gemäß einer weiteren Ausführungsorm in einer Perspektivansicht, wobei die Signalpinpaare jeweils mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung umhüllt sind; -
3 eine weitere schematische Darstellung des Leistungsmoduls gemäß der weiteren Ausführungsorm aus2 in einer Perspektivansicht.
-
1 a schematic representation of the power module with signal pin pairs each consisting of two twisted signal pins according to an embodiment in a side view; -
2 a schematic representation of the power module according to a further embodiment in a perspective view, wherein the signal pin pairs are each covered with an electrically insulating coating; -
3 a further schematic representation of the power module according to the further management form2 in a perspective 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.Identical objects, functional units and comparable components are designated with the same reference symbols across all figures. These objects, functional units and comparable components are identical in terms of their technical features, unless the description explicitly or implicitly indicates otherwise.
Das Leistungsmodul 10 umfasst zumindest einen Leistungsschalter, vorzugsweise mehrere Leistungsschalter, zum Einspeisen eines Eingangsstroms und zum Erzeugen eines Ausgangsstroms basierend auf dem eingespeisten Eingangsstrom mittels Schaltens der Leistungsschalter. Im Fall eines mehrphasigen DC/AC-Wechselrichters umfasst die gesamte Leistungselektronik mehrere (beispielsweise drei) Phasen, die jeweils eine Halbbrücke aufweisen. Jede Phase bzw. Halbbrücke dient zum Umwandeln des eingespeisten DC-Stroms in einen Phasenstrom mittels Schaltens der dazugehörigen Leistungsschalter, wobei die mehreren auf diese erzeugten Phasenströme voneinander phasenverschoben sind und jeweils in eine Wicklung der E-Maschine geführt werden, um den elektrischen Achsantrieb zu bestromen. Die Halbbrücken weisen jeweils eine Highside mit einem höheren elektrischen Potential und eine Lowside mit einem niedrigeren elektrischen Potential auf. Im Fall eines mehrphasigen AC/DC-Gleichrichters umfasst die gesamte Leistungselektronik ebenfalls mehrere (beispielsweise drei) Phasen, wobei die Leistungsschalter dazu geschaltet werden, um die Phasenversätze zwischen den Phasenströmen des eingespeisten AC-Stroms aufzuheben, woraus ein DC-Strom am Ausgang resultiert.The
Es sind verschiedene Konfigurationen des Leistungsmoduls 10 denkbar. Beispielsweise kann das Leistungsmodul 10 als sogenanntes Halbbrückenmodul ausgebildet sein, welches eine Modulhighside und eine Modullowside mit jeweils einem einzigen Leistungsschalter oder mehreren parallelgeschalteten Leistungsschaltern aufweist. In diesem Fall kann jede Phase des gesamten Wandlers ein einziges Halbbrückenmodul oder mehrere parallelgeschaltete Halbbrückenmodule umfassen. Im ersteren Fall ist die Highside der Phase durch die Modulhighside und die Lowside der Phase durch die Modullowside des einzigen Halbbrückenmoduls gebildet. Im letzteren Fall ist die Highside der Phase durch eine Parallelschaltung der Modulhighsides der parallelgeschalteten Halbbrückenmodule gebildet, wobei die Lowside der Phase durch eine Parallelschaltung der Modullowsides der parallelgeschalteten Halbbrückenmodule gebildet ist. Alternativ kann das Leistungsmodul 10 nur eine Modulhighside oder eine Modullowside umfassen. Der Fall, in dem das Leistungsmodul 10 einen einzigen Leistungsschalter aufweist, tritt dann auf, wenn die Modulhighside oder die Modullowside nur einen einzigen Leistungsschalter umfasst. Weiter alternativ kann sich das Leistungsmodul 10 auf die Gesamtheit der parallelgeschalteten Halbbrückenmodule einer Phase, oder auf die Gesamtheit der parallelgeschalteten Modulhighsides bzw. Modullowsides einer Phase beziehen.Various configurations of the
Die Leistungsschalter sind vorzugsweise Transistoren, wie MOSFETs, HEMTs und/oder IGBTs. Das den Leistungsschaltern zugrundeliegende Halbleitermaterial ist vorzugsweise Silizium oder ein sogenannter Halbleiter mit einer großen Bandlücke (Engl.: Wide Bandgap Semiconductors, WBC), etwa Siliziumcarbid, Galliumnitrid oder Galliumoxid. Die Leistungsschalter sind außerdem vorzugsweise auf einem Schaltungsträger 26 (siehe
Die Leistungsschalter umfassen jeweils eine pluspolige bzw. gesteuerte Stromelektrode (z.B. Drain-Elektrode), eine minuspolige bzw. auf ein Massepotential gelegte Stromelektrode (z.B. Source-Elektrode) und eine Steuerelektrode (z.B. Gate-Elektrode). Die pluspolige Stromelektrode und die minuspolige Stromelektrode bilden zusammen mit der dazwischen befindlichen Halbleiterstruktur einen Lastpfad des jeweiligen Leistungsschalters, durch den der Laststrom in einem geöffneten (leitenden) Zustand des Leistungsschalters fließt. Das Massepotential wird vorzugsweise durch eine metallische Schicht des Schaltungsträgers 29, auf der die Leistungsschalter angeordnet sind, bereitgestellt. Zum Einspeisen des Eingangsstroms (Laststroms) in das Leistungsmodul 10 oder zur Entnahme des Ausgangsstroms aus dem Leistungsmodul 10 sind mehrere Leistungsanschlüsse 14,16,18 im Leistungsmodul 10 vorgesehen, die mit den Stromelektroden des jeweiligen Leistungsschalters elektrisch verbunden sind. Die Leistungsanschlüsse 14,16,18 werden an Stromschienen (Busbars) 13,15,17 angebunden, um eine Stromführung mit weiteren Bauteilen des Wandlers, etwa einem Zwischenkreiskondensator im Fall eines DC/AC-Wechselrichters, oder einer externen Einheit wie den Wicklungen der zu bestromenden E-Maschine, zu ermöglichen. Die Stromführung innerhalb des Leistungsmoduls 10, beispielsweise zwischen den einzelnen Leistungsschaltern, erfolgt mit Hilfe mehrerer Stromleitungen, die beispielsweise als Drahtbonden ausgebildet oder in einem Leiterrahmen integriert sind.The power switches each comprise a positive-pole or controlled current electrode (e.g. drain electrode), a negative-pole or ground-potential current electrode (e.g. source electrode) and a control electrode (e.g. gate electrode). The positive-pole current electrode and the negative-pole current electrode, together with the semiconductor structure located between them, form a load path of the respective circuit breaker through which the load current flows when the circuit breaker is open (conductive). The ground potential is preferably provided by a metallic layer of the
Die Leistungsschalter sind, wie in
Zusätzlich umfasst das Leistungsmodul 10 eine Leiterplatte 29, die mit elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen einer Steuereinrichtung 30a-b zum Erzeugen von Steuersignalen zum Schalten der Leistungsschalter bestückt ist. Die Leiterplatte 29 kann als Platine, insbesondere Treiber-Platine, ausgebildet sein. Vorzugsweise erstreckt sich die Leiterplatte 29 in einer zum Schaltungsträger 26 im Wesentlichen parallelen Ebene. Wie in
Das Leistungsmodul 10 weist mehrere Signalpins 20a-b,22a-b zum Übertragen der Steuersignale auf die Leistungsschalter auf. Die Signalpins 20a-b,22a-b sind einerseits mit dem Schaltungsträger und andererseits mit der Leiterplatte elektrisch verbunden. Wie in
Durch das Verdrillen der Signalpinpaare 24a-b können sich Beeinflussungen durch äußere elektromagnetisch Felder größtenteils gegenseitig aufheben. Auf diese Weise werden vorteilhafterweise das Übersprechen zwischen den paarweise geführten Signalleitungen minimiert, sodass eine Gleichtaktunterdrückung erzielt wird. Daher ermöglichen verdrillte Signalpinpaare 24a-b, insbesondere gegenüber parallel geführten Signalleitungen, einen besseren Schutz gegenüber elektrischen und magnetischen Störeinkopplungen.By twisting the signal pin pairs 24a-b, influences from external electromagnetic fields can largely cancel each other out. In this way, crosstalk between the signal lines routed in pairs is advantageously minimized, so that common-mode suppression is achieved. Therefore, twisted signal pin pairs 24a-b enable better protection against electrical and magnetic interference, especially compared to signal lines routed in parallel.
Wie in
Diese Maßnahme gewährleistet eine sichere elektrische Isolierung der Signalpins und einen Schutz vor äußeren Einflüssen wie mechanischen Stößen. Jedem Signalpinpaar 24 kann eine isolierende Beschichtung in einer Eins-zu-eins-Entsprechung zugeordnet sein. Alternativ können, obwohl hier nicht gezeigt, mehrere Signalpinpaare 24 von einer gleichen isolierenden Beschichtung 23 umhüllt sein.This measure ensures reliable electrical insulation of the signal pins and protection against external influences such as mechanical shocks. Each
Zusätzlich zur elektrischen Isolierung können die Signalpinpaare 24 jeweils zumindest abschnittsweise mit einer elektromagnetischen Abschirmung umhüllt sein. Diese Maßnahme stellt vorteilhafterweise einen zusätzlichen Schirm vor elektromagnetischen Störeinkopplungen neben der verdrillten Anordnung der Signalpinpaare 24 bereit. Die elektromagnetische Abschirmung kann beispielsweise als metallische Innenlage (etwa Kupferlage) innerhalb der elektrisch isolierenden Beschichtung 23 integriert sein.In addition to the electrical insulation, the signal pin pairs 24 can each be covered at least in sections with an electromagnetic shield. This measure advantageously provides an additional shield against electromagnetic interference in addition to the twisted arrangement of the signal pin pairs 24. The electromagnetic shield can be integrated, for example, as a metallic inner layer (e.g. copper layer) within the electrically insulating
BezugszeichenReference symbols
- 1010
- LeistungsmodulPower module
- 1111
- stromisolierende Schutzverkleidung (Schutzumspritzung)current-insulating protective covering (protective overmolding)
- 1313
- pluspolige DC-Stromschienepositive pole DC power rail
- 1414
- pluspoliger DC-Leistungsanschlusspositive-pole DC power connection
- 1515
- minuspolige DC-Stromschienenegative pole DC power rail
- 1616
- minuspoliger DC-Leistungsanschlussnegative DC power connection
- 1717
- AC-StromschieneAC busbar
- 1818
- AC-LeistungsanschlussAC power connection
- 20, 20a-b20, 20a-b
- erster Signalpinfirst signal pin
- 22, 22a-b22, 22a-b
- erster Signalpinfirst signal pin
- 2323
- elektrisch isolierende Beschichtungelectrically insulating coating
- 24, 24a-b24, 24a-b
- SignalpinpaarSignal pin pair
- 2525
- Kühlercooler
- 252252
- OberseiteTop
- 2626
- Schaltungsträger (PCB)Circuit board (PCB)
- 262262
- OberseiteTop
- 2727
- wärmeleitfähige Schicht (Sinterschicht)thermally conductive layer (sintered layer)
- 2929
- Leiterplatte (Treiber-Platine)Circuit board (driver board)
- 30a-b30a-b
- SteuereinrichtungControl device
Claims (10)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE102022213003.0A DE102022213003A1 (en) | 2022-12-02 | 2022-12-02 | Power module for a converter with twisted signal pin pairs for control signal routing |
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Family Applications (1)
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Citations (4)
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-
2022
- 2022-12-02 DE DE102022213003.0A patent/DE102022213003A1/en active Pending
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