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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Inverter bzw. einen Leistungsinverter, insb. für einen elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs, und geht aus von einem Inverter umfassend mehrere Halbbrücken, die aus jeweiligen ansteuerbaren „High-Side“- und „Low-Side“-Halbleiterschaltern gebildet sind, welche im Betrieb des Inverters mittels einer Steuereinrichtung des Inverters angesteuert werden.
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Mit einem derartigen Inverter lässt sich eine Gleichspannung in eine mehrphasige Wechselspannung umwandeln. Hierfür wird die von einem positiven und einem negativen Versorgungspotential definierte Gleichspannung an die aus einer jeweiligen Reihenschaltung von High-Side- und Low-Side-Schaltern gebildeten Halbbrücken angelegt. Mittels einer geeigneten getakteten komplementären Ansteuerung der High-Side- und Low-Side-Schalter kann an einem Mittelabgriff (zwischen High-Side- und Low-Side-Schaltern) der jeweiligen Halbbrücke eine jeweilige Phasenspannung der Wechselspannung bereitgestellt werden.
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Im Stand der Technik gibt es vielfältige Anwendungen für Inverter der hier interessierenden Art. Ein Beispiel ist die Verwendung eines Inverters zur Bestromung einer elektrischen Maschine mit mehrphasigem (z.B. dreiphasigem) Wechselstrom, beispielsweise einer zum Antrieb eines Fahrzeuges eingesetzten elektrischen Maschine, wobei der Inverter mit einer Gleichspannung aus einem elektrischen Bordnetz des Fahrzeuges versorgt wird. Insbesondere in dieser Anwendung kann der Inverter vorteilhaft auch bidirektional betrieben werden, z.B., um beim Bremsen des Fahrzeuges generierte Wechselspannung in Gleichspannung zu wandeln und in das Bordnetz zurückzuspeisen (Rekuperation).
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, bei derartigen Invertern aufgrund der thermischen Beanspruchung die Verdrahtung der ansteuerbaren High-Side- und Low-Side-Halbleiterschalter wie z.B. Schalttransistoren (z.B. MOS-FETs) auf einem keramischen Schaltungsträger (z.B. in DCB-Technik) aufzubauen.
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Auf einem solchen Keramiksubstrat des Inverters werden dann üblicherweise nicht nur die Leiterbahnen zur Leistungsübertragung („Hochstrompfade“) angeordnet, sondern zusätzlich z.B. auch Leiterbahnen zur Übertragung von Ansteuersignalen für die genannten Halbleiterschalter und ggf. auch Leiterbahnen zur Übertragung von sonstigen Signalen. Bei letzteren Signalen kann es sich beispielsweise um ein oder mehrere Mess- oder Kontrollsignale für die Leistungsmodule handeln.
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Die auf dem Keramiksubstrat vorgesehenen Leiterbahnen für derartige Inverter-„Steuersignale“ im weitesten Sinne (umfassend Ansteuersignale für die Schalter sowie sonstige Signale wie Messsignale) werden im Stand der Technik zumeist gebündelt und oftmals über relativ weite Wege und zusätzliche elektrische Kontaktstellen zu einer Steuereinrichtung (Steuerelektronik) des Inverters geführt. Diese Steuereinrichtung ist üblicherweise durch elektronische Bauelemente ausgebildet, die auf einer von dem keramischen Schaltungsträger separaten Leiterplatte (PCB) angeordnet sind.
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Je nach Designvorgaben für den keramischen Schaltungsträger ist relativ viel Platz für die Führung der Ansteuer- und sonstigen Signale (z.B. Messsignale) nötig. Außerdem ist am Keramiksubstrat zumeist nur eine Verdrahtungslage verfügbar. Auf der Rückseite des Keramiksubstrats kann z.B. eine vollflächige Metalllage und/oder ein Kühlkörper vorgesehen sein. Dadurch muss der Schaltungsträger relativ groß dimensioniert werden und eine symmetrische Signalführung ist nur schwer möglich, vor allem, wenn bei Einsatz einer Vielzahl von Halbleiterbauelementen die betreffenden Signale wie etwa Ansteuersignale und/oder Messsignale völlig separat voneinander bis zur Steuerelektronik geführt werden sollen. Diese Probleme verschärfen sich insbesondere dann, wenn die einzelnen Halbbrücken jeweils von mehreren parallelgeschalteten High-Side- und Low-Side-Halbleiterschaltern gebildet werden.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Inverter die vorstehend erläuterten Probleme zu beseitigen und insbesondere auch im Falle einer kompakten Dimensionierung des Inverters ein möglichst symmetrisches Design bezüglich der Pfade bzw. Leiterbahnen zu ermöglichen, die zur Übertragung von Ansteuersignalen und ggf. weiteren Signalen wie Mess- bzw. Kontrollsignalen zwischen einem „leistungselektronischen“ Teil und einem „steuerelektronischen“ Teil des Inverters vorgesehenen sind.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch einen Inverter bzw. einen Leistungsinverter, insb. für einen elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs, nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung.
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Der erfindungsgemäße Inverter umfasst:
- - eine Leistungsmodulanordnung mit mehreren (z.B. drei) in einer (z.B. geradlinigen) Reihe nebeneinander entlang einer Erstreckungsrichtung der Leistungsmodulanordnung, insb. auch entlang einer Anordnungsebene, angeordneten plattenförmigen Leistungsmodulen,
wobei die Leistungsmodule jeweils (wenigstens) einen High-Side-Halbleiterschalter (z.B. FET, insbesondere MOS-FET) und (wenigstens) einen Low-Side-Halbleiterschalter (z.B. FET, insbesondere MOS-FET) zur Bildung (wenigstens) einer jeweiligen Halbbrücke des Inverters aufweisen, wobei der High-Side-Halbleiterschalter in einem ersten Bereich des jeweiligen korrespondierenden Leistungsmoduls (insb. an einem Randbereich des Moduls) und der Low-Side-Halbleiterschalter in einem quer zur Erstreckungsrichtung der Reihe von Leistungsmodulen betrachtet dem ersten Bereich gegenüberliegenden zweiten Bereich des jeweiligen korrespondierenden Leistungsmoduls (insb. an einem gegenüberliegenden Randbereich des Moduls) angeordnet ist, - - eine Steuereinrichtung mit einer ersten Steuerleiterplatte zum Steuern der High-Side-Halbleiterschalter, wobei die erste Steuerleiterplatte an einer den ersten Bereichen zugewandten Längsseite der Reihe der Leistungsmodule angeordnet ist und sich entlang dieser Reihe bzw. entlang der Erstreckungsrichtung der Reihe der Leistungsmodule erstreckt, und mit einer zweiten Steuerleiterplatte zum Steuern der Low-Side-Halbleiterschalter, wobei die zweite Steuerleiterplatte an einer den zweiten Bereichen zugewandten Längsseite der Reihe der Leistungsmodule angeordnet ist und sich entlang dieser Reihe bzw. entlang der Erstreckungsrichtung der Reihe der Leistungsmodule erstreckt,
- - erste elektrische Verbindungen (z.B. Bonddrähte oder Bondbändchen (auf Englisch „Bonding ribbons“)), die zwischen der ersten Steuerleiterplatte einerseits und den ersten Bereichen der jeweiligen Leistungsmodule andererseits gebildet sind und Steuer-/Messsignalanschlüsse der jeweiligen High-Side-Halbleiterschalter (z.B. Gate-Anschlüsse und ggf. vorhandene Kelvin-Source-Anschlüsse bei High-Side-(Leistungs-)MOSFETs, insb. bei High-Side-SiC-MOSFETs, zur Reduzierung negativen Einflusses der parasitären Induktivität in der Source-Zuleitung des Leistungs-MOSFETs) mit der ersten Steuerleiterplatte elektrisch verbinden, und
- - zweite elektrische Verbindungen (z.B. Bonddrähte oder Bondbändchen), die zwischen der zweiten Steuerleiterplatte einerseits und den zweiten Bereichen der jeweiligen Leistungsmodule andererseits gebildet sind und Steuer-/Messsignalanschlüsse der jeweiligen Low-Side-Halbleiterschalter (z.B. Gate-Anschlüsse und ggf. vorhandene Kelvin-Source-Anschlüsse bei Low-Side-(Leistungs-)MOSFETs, insb. bei Low-Side-SiC-MOSFETs) mit der zweiten Steuerleiterplatte elektrisch verbinden.
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Der Begriff „Steuer-/Messsignalanschlüsse“ soll hier ganz allgemein diejenigen Anschlüsse der Halbleiterschalter bezeichnen, welchen für deren Ansteuerung zum Einschalten und Ausschalten (im Inverterbetrieb, ausgehend von der Steuereinrichtung) ein Ansteuersignal zuzuführen ist („Steueranschlüsse“, z.B. Gate-Anschlüsse, und ggf. vorhandene Kelvin-Source-Anschlüsse) und/oder von welchen ein Messsignal („Messignalanschlüsse“) abgegriffen werden kann (um dieses über die elektrischen Verbindungen an die Steuereinrichtung zu leiten).
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Die Leistungsmodulanordnung mit den mehreren plattenförmigen Leistungsmodulen umfasst die Halbbrücken und stellt daher gewissermaßen einen leistungselektronischen Teil des Inverters (mit Hochstrompfaden) dar, wohingegen die Steuereinrichtung einen steuerelektronischen Teil (ohne solche Hochstrompfade) bildet.
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Der Begriff „Halbbrücke“ bezeichnet fachüblich einen zwischen einem positiven und einem negativen Versorgungspotential („Versorgungsspannung“) verlaufenden Strompfad mit einer Reihenschaltung von (wenigstens) einem High-Side-Schalter seitens des positiven Versorgungspotentials und (wenigstens) einem Low-Side-Schalter seitens des negativen Versorgungspotentials, und mit einem Mittelabgriff (zwischen den High-Side- und Low-Side-Schaltern) zum Abgreifen einer Spannung bzw. daraus resultierendem Strom (Phasenspannung bzw. -strom).
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Das Merkmal, wonach die Leistungsmodule „in einer Reihe nebeneinander entlang einer Erstreckungsrichtung der Leistungsmodulanordnung, insb. auch entlang einer Anordnungsebene, angeordnet“ sind, soll bedeuten, dass die Leistungsmodule jeweils bzw. deren Anordnung im Wesentlichen bzw. zumindest annähernd parallel zu einer Erstreckungsrichtung (bzw. Längserstreckungsrichtung) der Leistungsmodulanordnung, insb. auch entlang einer (gedachten) Anordnungsebene, orientiert sind und hierbei in Projektion auf eine sich in der Erstreckungsrichtung der Leistungsmodulanordnung erstreckende Anordnungsebene betrachtet zueinander versetzt sind, so dass sich eine Reihung der Leistungsmodule ergibt. Im einfachsten Fall sind die (z.B. identisch ausgebildeten) Leistungsmodule in einer Ebene (Anordnungsebene) angeordnet und mit oder ohne gegenseitigen Abstand in einer geraden Reihe aneinandergereiht. Es soll jedoch im Rahmen der Erfindung weder ausgeschlossen sein, dass die nebeneinander angeordneten Leistungsmodule sich in der Erstreckungsrichtung der Reihe betrachtet etwas überlappen, noch dass eine solche Erstreckungsrichtung der Reihe gekrümmt verläuft. In letzterer Hinsicht kommt z.B. auch eine kreisringförmig geschlossen verlaufende Reihe in Betracht, wobei dann die erste Steuerleiterplatte innerhalb der kreisringförmigen Leistungsmodulanordnung, und die zweite Steuerleiterplatte außerhalb der kreisringförmigen Leistungsmodulanordnung, oder umgekehrt, verlaufen würden. Mit anderen Worten: die Erstreckungsrichtung an sich kann gerade verlaufen, aber auch gekrümmt oder gar kreisringförmig verlaufen. Im Falle, dass die Erstreckungsrichtung kreisringförmig verläuft, sind die Leistungsmodule entlang dieser kreisringförmigen Erstreckungsrichtung nebeneinander angeordnet.
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Jedes plattenförmige Leistungsmodul kann z.B. ein plattenförmiges elektrisch isolierendes Substrat mit darauf angeordneten und über metallische Leiterbahnen (z.B. Kupfer) auf dem Substrat elektrisch kontaktierte Leistungshalbleiterbauelemente aufweisen, wobei diese Bauelemente gemäß der Erfindung zumindest die zur Bildung der Halbbrücken vorgesehenen High-Side-Halbleiterschalter und Low-Side-Halbleiterschalter umfassen.
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Bei der Gestaltung eines Substrats jedes Leistungsmoduls, beispielsweise mit rechteckigem Format, kann vorteilhaft aus an sich aus dem Stand der Technik bekannte Ausführungen zurückgegriffen werden. Im Hinblick auf die thermischen Anforderungen ist ein Substrat auf Basis eines keramischen Materials wie z.B. Aluminiumnitrid (AlN) besonders vorteilhaft. Derartige Materialien besitzen eine für leistungselektronische Schaltungsanordnungen (wie den hier beschriebenen Inverter) vorteilhaft hohe Wärmeleitfähigkeit sowie ein hohes elektrisches Isolationsvermögen. Die Leistungsmodule können insbesondere jeweils einen in DCB-Technik (DCB auf Englisch „Direct Bonded Copper“) oder in AMB-Technik (AMB auf Englisch „Active Metal Brazed“) ausgeführten keramischen Schaltungsträger oder einen IMS-Schaltungsträger (IMS auf Englisch „Insulated Metal Substrate“) aufweisen.
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Als Highside- und Lowside-Halbleiterschalter können in an sich bekannter Weise Schalttransistoren wie insbesondere MOSFETs vorgesehen sein, die im Hinblick auf hohe Schaltgeschwindigkeiten und niedrige Schaltverluste vorteilhaft z.B. in Siliziumkarbid (SiC)-Technologie gefertigt sein können und/oder mit Kelvin-Source-Anschlüssen ausgestattet sein können. Insbesondere z.B. bei derartig ausgebildeten Halbleiterschaltern kann ein gemäß der Erfindung ermöglichtes sehr symmetrisches Design bezüglich der einzelnen Bauelemente im Ansteuerkreis dazu beitragen, im Betrieb des Inverters unerwünschte Oszillationen zu verhindern.
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Da bei der Erfindung die mehreren Leistungsmodule entlang der Erstreckungsrichtung der Leistungsmodulanordnung, insb. auch entlang der (gedachten) Anordnungsebene, in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind und die Steuerelektronik die beiderseits dieser Reihe angeordneten ersten und zweiten Steuerleiterplatten („Steuermodule“) umfasst, können sämtliche zwischen der Leistungsmodulanordnung (Leistungselektronik) und der Steuereinrichtung (Steuerelektronik) zu übertragenden Signale auf jeweils relativ kurzem und somit vorteilhaft niederinduktivem Weg geführt werden. Die Erfindung ermöglicht in dieser Hinsicht eine optimierte Integration einer zur Steuerung dienenden Leiterplattenanordnung (PCB) für ein Inverter-„Powermodul“, insbesondere SiC-basiertes Powermodul.
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Die erste Steuerleiterplatte und die zweite Steuerleiterplatte bilden gewissermaßen zwei räumlich separat voneinander platzierte „Steuermodule“ der Steuereinrichtung (wobei die Steuereinrichtung noch weitere Komponenten wie insbesondere wenigstens eine an beiden Steuerleiterplatten angeschlossene Steuerelektronikkomponente aufweisen kann). Auf der ersten Steuerleiterplatte können die Gate-Treiberschaltungen zum Betreiben der High-Side-Halbleiterschalter oder auch nur Teile von den jeweiligen Gate-Treiberschaltungen gebildet sein, wie z. B. Gate-Vorwiderstand der jeweiligen Gate-Treiberschaltungen und entsprechende Stromverbindungen in Form Leiterbahnen. Analog können auf der zweiten Steuerleiterplatte die Gate-Treiberschaltungen zum Betreiben der Low-Side-Halbleiterschalter oder auch nur Teile von den jeweiligen Gate-Treiberschaltungen gebildet sein, wie z. B. Gate-Vorwiderstand der jeweiligen Gate-Treiberschaltungen und entsprechende Stromverbindungen in Form Leiterbahnen.
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Noch weiter begünstigt wird diese Möglichkeit zum Design möglichst symmetrischer und kurzer Signalübertragungswege dadurch, dass die High-Side- und Low-Side-Halbleiterschalter in jeweiligen ersten und zweiten Bereichen der jeweiligen Leistungsmodule angeordnet sind, wobei diese Bereiche sich quer zur Erstreckungsrichtung der Reihe von Leistungsmodulen betrachtet einander gegenüberliegen, und dass die ersten und zweiten Steuerleiterplatten jeweils an einer dem ersten bzw. zweiten Bereich zugewandten Längsseite der Reihe der Leistungsmodule angeordnet sind und sich entlang dieser Reihe erstrecken.
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Insbesondere können die ersten und zweiten Bereiche eines jeden Leistungsmoduls z.B. jeweils nahe an einem von zwei Rändern des betreffenden Leistungsmoduls vorgesehen sein, welche, einander gegenüberliegend, jeweils in Erstreckungsrichtung der Reihe von Leistungsmodule verlaufen.
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Die Steuereinrichtung des erfindungsgemäßen Inverters kann also nahe und somit vorteilhaft niederinduktiv an der Leistungsmodulanordnung und deren Halbleiterbauelemente angebunden sein, womit z.B. hinsichtlich der High-Side- und Low-Side-Halbleiterschalter vorteilhaft insbesondere ein „parasitäres Einschalten“ verhindert und ein schnelles Schalten mit geringen Verlusten ermöglicht wird, was vorteilhaft zu einer hohen Energieeffizienz im Betrieb des Inverters beiträgt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die erste Steuerleiterplatte (die an der den ersten Bereichen zugewandten Längsseite der Reihe der Leistungsmodule angeordnet ist) und/oder die zweite Steuerleiterplatte (die an der den zweiten Bereichen zugewandten Längsseite der Reihe der Leistungsmodule angeordnet ist) jeweils entlang der Reihe der Leistungsmodule über zumindest annähernd die gesamte Länge des Randes der Leistungsmodulanordnung auf der jeweiligen Längsseite.
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Vorteilhaft ermöglicht der erfindungsgemäße Inverter eine kompakte Dimensionierung bei gleichzeitig sehr symmetrischem Design bezüglich der Übertragung von Steuersignalen, d.h. der Ansteuersignale für die Halbleiterschalter und z. B. der ggf. vorgesehenen weiteren Mess- und/oder Kontrollsignale.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Leistungsmodule jeweils mehrere im ersten Bereich des jeweiligen Leistungsmoduls angeordnete, insb. zueinander parallel-angeordnete, High-Side-Halbleiterschalter und mehrere im zweiten Bereich des jeweiligen Leistungsmoduls angeordnete, insb. zueinander parallel-angeordnete, Low-Side-Halbleiterschalter zur Bildung von jeweiligen, insb. zueinander parallelgeschalteten, Halbbrücken auf. Insb. können die Halbbrücken jeweils von je einem High-Side-Halbleiterschalter und je einem Low-Side-Halbleiterschalter gebildet und zueinander parallelgeschaltet sein. Alternativ können die Halbbrücken jeweils aus einer Mehrzahl von zueinander parallelgeschalteten High-Side-Halbleiterschaltern und der gleichen Mehrzahl von zueinander parallelgeschalteten Low-Side-Halbleiterschaltern gebildet sein.
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Beispielsweise kann jede Halbbrücke mindestens zwei, insbesondere mindestens vier, parallelgeschaltete High-Side-Halbleiterschalter und z.B. eine gleiche Anzahl parallelgeschalteter Low-Side-Halbleiterschalter aufweisen, um durch den entsprechenden Parallellbetrieb der Halbleiter hohe Leistungsanforderungen erfüllen zu können.
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Im ersten Bereich und im zweiten Bereich des Leistungsmoduls angeordnete parallelgeschaltete High-Side- bzw. Low-Side-Halbleiterschalter können hierbei besonders vorteilhaft jeweils in einer Reihe nebeneinander im betreffenden Bereich angeordnet werden, wobei ein Erstreckungsverlauf einer solchen Reihe bevorzugt dem Erstreckungsverlauf der Reihe der Leistungsmodule entspricht.
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Damit wird z.B. ein sehr symmetrisches Design derjenigen Leiterbahnen ermöglicht, an denen diese Halbleiterschalter elektrisch kontaktiert sind. Dies gilt sowohl für „Hochstrompfade“ des Leistungsmoduls, also Leiterbahnen zur Stromversorgung der betreffenden Halbrücke oder zur Stromableitung an einem Mittelabgriff der betreffenden Halbrücke, als auch für „Niederstrom- oder Spannungspfade“, also z.B. Leiterbahnen zur Führung der (Ansteuer-)Signale für die betreffende Halbrücke (z.B. Ansteuersignale an Gate-Anschlüssen) und ggf. zum Anschließen von sogenannten Kelvin-Source-Anschlüssen im Falle eines (Leistungs-)MOSFETs, insb. eines SiC-MOSFETs).
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass für die Steuerung der High-Side-Halbleiterschalter über die ersten elektrischen Verbindungen ausgehend von der ersten Steuerleiterplatte Ansteuersignale an Steuersignalanschlüsse der High-Side-Halbleiterschalter übertragen werden, und dass für die Steuerung der Low-Side-Halbleiterschalter über die zweiten elektrischen Verbindungen ausgehend von der zweiten Steuerleiterplatte Ansteuersignale an Steuersignalanschlüsse der Low-Side-Halbleiterschalter übertragen werden, wobei sämtliche dieser Ansteuersignale jeweils über eine hierfür eigens vorgesehene elektrische Verbindung der ersten bzw. zweiten elektrischen Verbindungen übertragen werden.
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In diesem Zusammenhang umfasst der Begriff „Ansteuersignal“ z.B. bei Einsatz von FETs als High-Side- und Low-Side-Halbleiterschalter jedenfalls die an die Gate-Anschlüsse dieser FETs zu übertragenden Spannungen bzw. Potentiale. Falls die FETs im Rahmen der Ansteuerung der Schaltvorgänge nutzbare Kelvin-Source-Anschlüsse aufweisen, so können auch die an diese Kelvin-Source-Anschlüsse zu übertragenden Spannungen bzw. Potentiale jeweils als Ansteuersignal angesehen werden.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass im Rahmen der Steuerung der High-Side-Halbleiterschalter über die ersten elektrischen Verbindungen und Steuerung der Low-Side-Halbleiterschalter über die zweiten elektrischen Verbindungen zusätzlich zu den vorstehend bereits erwähnten Ansteuersignalen weitere Signale von der Steuereinrichtung zur Leistungsmodulanordnung oder umgekehrt zu übertragen sind. Auch für diese Signale kann im Rahmen der Erfindung deren Übertragung jeweils über eine hierfür eigens vorgesehene elektrische Verbindung (insbesondere z.B. der ersten bzw. zweiten elektrischen Verbindungen) vorgesehen sein.
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Bei solchen weiteren Signalen kann es sich z.B. um Messsignale handeln, die an Messsignalanschlüssen der High-Side- und Low-Side-Halbleiterschalter bereitgestellt werden und an die Steuereinrichtung zu übertragen sind. Derartige Messignale können vorteilhaft jeweils über eine hierfür eigens vorgesehene elektrische Verbindung der ersten bzw. zweiten elektrischen Verbindungen übertragen werden, wobei besonders vorteilhaft an Messsignalanschlüssen der High-Side-Halbleiterschalter bereitgestellte Signale jeweils über eine der ersten elektrischen Verbindungen und an Messsignalanschlüssen der Low-Side-Halbleiterschalter bereitgestellte Signale jeweils über eine der zweiten elektrischen Verbindungen übertragen werden können.
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Unabhängig davon können im Rahmen der Erfindung die ersten elektrischen Verbindungen und/oder die zweiten elektrischen Verbindungen auch jeweils mindestens eine (weitere) elektrische Verbindung umfassen, über welche ein sonstiges im Bereich der Leistungsmodulanordnung erfasstes Messsignal (z.B. zur Temperaturmessung, Stromstärkemessung, etc.) ausgehend von einem betreffenden Leistungsmodul an die Steuereinrichtung übertragen wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten und zweiten Steuerleiterplatten jeweils wenigstens annähernd parallel zu der Erstreckungsrichtung angeordnet sind, entlang welcher die Leistungsmodule angeordnet sind.
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In einer Ausführungsvariante ist hierbei vorgesehen, dass die erste Steuerleiterplatte die ersten Bereiche der Leistungsmodule (und/oder einen benachbarten Rand dieser Module) wenigstens teilweise überlappt und die zweite Steuerleiterplatte die zweiten Bereiche der Leistungsmodule (und/oder einen benachbarten Rand dieser Module) wenigstens teilweise überlappt. Zur Realisierung dieser Variante können z. B. die beiden Steuerleiterplatten in Vertikalrichtung, d.h. orthogonal zur Anordnungsebene der Leistungsmodule, betrachtet etwas versetzt bezüglich der Anordnungsebene angeordnet sein.
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In einer anderen Ausführungsvariante ist hierbei vorgesehen, dass sowohl die ersten und zweiten Steuerleiterplatten als auch die Leistungsmodule wenigstens annähernd in der Anordnungsebene angeordnet sind, entlang welcher die Leistungsmodule angeordnet sind, und dass die ersten und zweiten Steuerleiterplatten die Leistungsmodule nicht überlappen. Bei dieser Variante können Spalte, bevorzugt allenfalls kleine Spalte, zwischen einerseits der Reihe von Leistungsmodulen und andererseits den ersten und zweiten Steuerleiterplatten verbleiben. Alternativ kann bei dieser Variante auch vorgesehen sein, dass die Steuerleiterplatten jeweils wenigstens abschnittweise an der Leistungsmodulanordnung anliegen.
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In einer spezielleren vorteilhaften Ausführungsform des Inverters umfasst die Leistungsmodulanordnung drei (oder mehr) im Wesentlichen oder völlig identisch ausgebildete Leistungsmodule von jeweils rechteckigem (z.B. etwa quadratischem) Format, die in einer gemeinsamen Ebene (Anordnungsebene) mit in dieser Ebene betrachtet gleicher Orientierung „Kante an Kante“ mit allenfalls kleinem gegenseitigen Abstand (zwischen den Kanten einander benachbarter Module) in einer geraden Reihe nebeneinander angeordnet (aneinandergereiht) sind. Ein solcher kleiner Abstand (lichte Weite) kann z.B. weniger als 5%, insbesondere weniger als 3%, der Kantenlänge der in Erstreckungsrichtung der Leistungsmodulanordnung verlaufenden Kanten der Leistungsmodule betragen. Die beiden Steuerleiterplatten können insbesondere bei dieser Ausführungsform z.B. jeweils ein rechteckiges Format besitzen und z.B. in der gleichen Ebene wie die Leistungsmodulanordnung (Anordnungsebene) angeordnet sein. Die auf den beiden Längsseiten der Reihe von Leistungsmodulen entlang dieser Längsseiten verlaufenden jeweiligen Kanten der Steuerleiterplatten können hierbei mit jeweils bevorzugt kleinem Abstand von den jeweiligen benachbart verlaufenden Kanten der Leistungsmodule vorgesehen sein (z.B. weniger als 5%, insbesondere weniger als 3%, der Kantenlänge der quer zur Erstreckungsrichtung der Leistungsmodulanordnung verlaufenden Kanten der Leistungsmodule). In Erstreckungsrichtung der Reihe von Leistungsmodulen betrachtet erstrecken sich die beiden Steuerleiterplatten bevorzugt zumindest über die gesamte Erstreckungslänge der Leistungsmodulanordnung (Insbesondere können in dieser Richtung betrachtet die Steuerleiterplatten z.B. genauso lang sein wie die Leistungsmodulanordnung).
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die elektrischen Verbindungen jeweils einerseits an einem dem betreffenden Leistungsmodul zugewandten Randbereich der betreffenden Steuerleiterplatte und andererseits an einem der betreffenden Steuerleiterplatte zugewandten Randbereich des betreffenden Leistungsmoduls elektrisch kontaktiert sind.
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Derartige Randbereiche der Steuerleiterplatten und der Leistungsmodule, in denen die elektrischen Verbindungen elektrisch kontaktiert sind, können jeweils eine quer zur Erstreckungsrichtung der Leistungsmodulanordnung betrachtete Breite aufweisen, die z.B. maximal 30%, insbesondere maximal 20%, der in gleicher Richtung betrachteten Erstreckungsbreite der betreffenden Steuerleiterplatte bzw. des betreffenden Leistungsmoduls beträgt.
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In einer Ausführungsform umfasst der Inverter ferner eine Trägerstruktur wie z.B. einen Trägerrahmen, an welcher die Leistungsmodule und die Steuerleiterplatten befestigt sind.
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Diese Befestigung kann z.B. eine Verrastung und/oder Verschraubung umfassen. Alternativ kommt z.B. auch eine Verklebung in Betracht. Bei einer Verschraubung können z.B. Schrauben vorgesehen sein, deren Schraubenschäfte jeweils in Vertikalrichtung, d.h. orthogonal zur Anordnungsebene der Leistungsmodulanordnung, verlaufen. Diese Schäfte können z.B. durch Aussparungen (z.B. Bohrungen) hindurch verlaufen, die an den Leistungsmodulen und/oder den Steuerleiterplatten an geeigneten Stellen ausgebildet sind. Alternativ oder zusätzlich können solche Schraubenschäfte z.B. auch durch Spalte hindurch verlaufen, die zwischen den einzelnen Leistungsmodulen und/oder zwischen einerseits den Steuerleiterplatten und andererseits den Leistungsmodulen vorgesehen sein können.
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In einer Ausführungsform sind für die Befestigung der Leistungsmodule und/oder der Steuerleiterplatten Schrauben vorgesehen, welche in zugeordneten Gewindebohrungen der Trägerstruktur eingeschraubt (oder hindurchgeschraubt) sind.
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Wenigstens einige Schrauben können neben ihrer Funktion zur Befestigung der Leistungsmodule und/oder Steuerleiterplatten auch eine Funktion zur Wärmeableitung aus dem Bereich der Leistungsmodulanordnung besitzen, etwa indem Wärme über Schraubenköpfe oder am Schraubenkopf angeordnete Unterlagsscheiben und weiter entlang der betreffenden Schraubenschäfte abgeführt wird. Die Schraubenköpfe bzw. Unterlagsscheiben können hierfür in direktem Kontakt mit Oberfläche der jeweiligen Steuerleiterplatten und/oder der jeweiligen Substrats (z.B. Keramiksubstrat) und/oder einer Oberfläche einer daran vorgesehenen Leiterbahn stehen. Jenseits der oben erwähnten Aussparungen, Bohrungen, Spalte etc. kann dann vorteilhaft die Wärme z.B. an einen Kühlkörper weitergegeben werden. In letzterem Fall können betreffende Schrauben z.B. in zugeordneten Gewindebohrungen des Kühlkörpers eingeschraubt (oder hindurchgeschraubt) sein. Beispielsweise kann bei dem Inverter ein plattenförmiger Kühlkörper auf einer der „Verdrahtungslage“ (Leiterbahnen) abgewandeten Flachseite (Rückseite) des betreffenden Substrats (z.B. Keramiksubstrat) vorgesehen sein, bevorzugt mit einem Format bzw. lateralen Abmessungen, welche wenigstens annähernd denjenigen der Leistungsmodulanordnung entsprechen.
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Die Trägerstruktur kann gleichzeitig eine Gehäusestruktur für den Inverter oder einen Bestandteil einer solchen Gehäusestruktur darstellen.
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In einer Ausführungsform umfassen die elektrischen Verbindungen Bonddrähte oder Bondbändchen, die jeweils einerseits an der betreffenden Steuerleiterplatte und andererseits an dem betreffenden Leistungsmodul elektrisch kontaktiert sind.
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Falls der Inverter eine Trägerstruktur bzw. einen Trägerrahmen der oben bereits erwähnten Art umfasst, so kann beispielsweise wenigstens eine der elektrischen Verbindungen, insbesondere sämtliche elektrischen Verbindungen, jeweils einen Abschnitt aufweisen, der durch eine Leitung gebildet ist, die an der Trägerstruktur angeordnet und/oder im Material der Trägerstruktur eingebettet verlaufend ausgebildet ist.
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Zur elektrischen Kontaktierung eines solchen an bzw. in der Trägerstruktur verlaufend ausgebildeten Leitungsabschnitts können an einem betreffenden Leistungsmodul und/oder einer betreffenden Steuerleiterplatte z.B. in Vertikalrichtung davon abstehende elektrische Kontaktstifte ausgebildet sein, die mit ihren freien Enden bei einer Montage des Inverters zum Eingriff und somit elektrischen Kontakt in entsprechende (mit besagtem Leitungsabschnitt elektrisch verbundene) Kontaktbuchsen an der Trägerstruktur gebracht werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Inverter ferner
- - wenigstens eine erste streifenförmige Stromschiene zur Versorgung der Halbbrücke wenigstens eines Leistungsmoduls mit einem positiven Versorgungspotential, und
- - wenigstens eine zweite streifenförmige Stromschiene zur Versorgung der Halbbrücke wenigstens eines Leistungsmoduls mit einem negativen Versorgungspotential,
wobei die ersten und zweiten Stromschienen sich jeweils entlang der Erstreckungsrichtung erstrecken, entlang welcher die Leistungsmodule angeordnet sind, und wobei die ersten und zweiten Stromschienen jeweils einen oder mehrere (zungen- bzw. beinförmigen) Stromschienenausläufer aufweisen, die ausgehend von einem Hauptabschnitt der Stromschiene abgewinkelt verlaufen und jeweils an wenigstens einem der Leistungsmodule elektrisch kontaktiert sind.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Inverter ferner an jedem der Leistungsmodule jeweils eine streifenförmige (weitere) Stromschiene (bzw. Phasenanschluss-Stromschiene) zur Ableitung eines Stroms von einem Mittelabgriff der Halbbrücke des betreffenden Leistungsmoduls, wobei diese Stromschiene sich wenigstens annähernd entlang der Erstreckungsrichtung erstreckt, und wobei diese Stromschiene einen oder mehrere (zungen- bzw. beinförmigen) Stromschienenausläufer aufweist, die ausgehend von einem Hauptabschnitt der Stromschiene abgewinkelt verlaufen und jeweils an dem betreffenden Leistungsmodul elektrisch kontaktiert sind.
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Sämtliche der oben genannten Stromschienen (bzw. Stromanschlussschienen, auf Englisch „Busbars“) können z.B. als Profilteile und zweckmäßigerweise aus einem metallischen Material bzw. einem Metallblech, wie insbesondere z.B. Kupfer oder einer Kupferlegierung (z.B. „technisches Kupfer“), gefertigt sein. Dies trägt vorteilhaft dem Umstand Rechnung, dass im Rahmen der Erfindung bevorzugte Verwendungen des Inverters vergleichsweise hohe Stromstärken der durch die Stromschienen fließenden Ströme involvieren (z.B. Verwendungen, bei denen der Inverter Phasenströme liefert, deren Stromstärke betriebsmäßig Werte von mehr als 100 A annimmt). Analoges gilt für Leiterbahnen und Kontaktflächen, die an den einzelnen Leistungsmodulen und Steuerleiterplatten ausgebildet sind. Hinsichtlich der oben genannten Bonddrähte oder Bondbändchen kommt neben einer Verwendung eines Kupfermaterials insbesondere z.B. auch der Einsatz von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung als Material der Bonddrähte oder der Bondbändchen in Betracht.
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Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine besonders vorteilhafte Verwendung eines Inverters der hier beschriebenen Art, insbesondere mit auf Siliziumkarbid (SiC)-basierten High-Side- und Low-Side-Halbleiterschaltern der Leistungsmodule, als ein Inverter („Traktionsumrichter“) zur Bestromung einer elektrischen Maschine mit dreiphasigem Wechselstrom vorgeschlagen, die zum Antrieb (einschließlich ggf. Bremsen durch Rekuperation) eines Fahrzeuges (z.B. Elektro- oder Hybridfahrzeug) eingesetzt wird, wobei der Inverter mit einer Gleichspannung (d.h. positivem und negativem Versorgungspotential) aus einem elektrischen Bordnetz des Fahrzeuges versorgt wird. Darüber hinaus kommen weitere interessante Verwendungen in Betracht, wie z.B. als Inverter an einer PV(Photovoltaik)-Anlage, als Inverter an einer Windkraftanlage, oder als Inverter als Komponente eines DC/DC-Wandlers.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen, teilweise schematisiert, dar:
- 1 eine Draufsicht eines Inverters gemäß eines Ausführungsbeispiels;
- 2 einen Abschnitt AA des Inverters in der Draufsicht von 1; und
- 3 eine weitere Draufsicht des Inverters mit weiteren Komponenten des Inverters.
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1 zeigt einen Inverter 10, umfassend eine Leistungsmodulanordnung 20 mit drei in einer Reihe nebeneinander in einer Anordnungsebene entlang einer Längserstreckungsrichtung ER der Leistungsmodulanordnung 20 bzw. des Inverters 10 angeordneten plattenförmigen Leistungsmodulen 22-1, 22-2, 22-3.
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2 zeigt einen Abschnitt AA des Inverters 10, in dem eins der Leistungsmodule 22-2 beispielhaft detailliert darstellt ist.
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Die Bezugszahlen von im Ausführungsbeispiel mehrfach vorgesehenen, in ihrer Wirkung analogen Komponenten (wie z.B. die Leistungsmodule 22-1, 22-2, 22-3), sind durchnummeriert (jeweils ergänzt durch einen Bindestrich und eine fortlaufende Zahl). Auf einzelne solcher Komponenten oder auf die Gesamtheit solcher Komponenten wird im Folgenden auch durch die nicht-ergänzte Bezugszahl Bezug genommen.
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Die drei Leistungsmodule 22 (22-1, 22-2, 22-3) sind im dargestellten Beispiel identisch ausgebildet und weisen jeweils sechs parallelgeschaltete High-Side-Halbleiterschalter 24-1, 24-2, 24-3, 24-4, 24-5, 24-6 und sechs parallelgeschaltete Low-Side-Halbleiterschalter 26-1, 26-2, 26-3, 26-4, 26-5, 26-6 zur Bildung einer jeweiligen Halbbrücke des Inverters 10 auf (siehe 2), wobei an jedem der Leistungsmodule 22 die High-Side-Halbleiterschalter 24 in einem ersten (positivspannungsseitigen) Bereich 28 des betreffenden Leistungsmoduls und die Low-Side-Halbleiterschalter 26 in einem quer zur Erstreckungsrichtung der Reihe von Leistungsmodulen 22 betrachtet dem ersten Bereich 28 gegenüberliegenden zweiten (negativspannungsseitigen) Bereich 30 des betreffenden Leistungsmoduls 22 angeordnet sind (siehe 2). Der Übersichtlichkeit der Darstellung halber sind in 1 insbesondere die Vielzahl der Halbleiterschalter 24, 26 nicht mit Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist an jedem der Leistungsmodule 22 genau eine Halbbrücke ausgebildet. Abweichend davon könnten die Leistungsmodule auch mehr als eine Halbbrücke ausbilden. Auch die im dargestellten Beispiel vorgesehene Anzahl an parallelgeschalteten Halbleiterschaltern (sechs) könnte im Rahmen der Erfindung dem jeweiligen Anwendungsfall angepasst auch modifiziert werden.
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Der Inverter 10 umfasst ferner eine Steuereinrichtung 40 mit einer ersten Steuerleiterplatte 42-1 zum Steuern der High-Side-Halbleiterschalter 24, die an einer den ersten Bereichen 28 zugewandten Längsseite der Reihe der Leistungsmodule 22 angeordnet ist und sich entlang dieser Reihe erstreckt, und mit einer zweiten Steuerleiterplatte 42-2 zum Steuern der Low-Side-Halbleiterschalter 26, die an einer den zweiten Bereichen 30 zugewandten Längsseite der Reihe der Leistungsmodule 22 angeordnet ist und sich entlang dieser Reihe erstreckt.
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Zwischen der ersten Steuerleiterplatte 42-1 einerseits und den ersten Bereichen 28 der jeweiligen Leistungsmodule 22 andererseits sind erste elektrische Verbindungen 50 gebildet, über welche Steuer-/Messsignalanschlüsse der jeweiligen High-Side-Halbleiterschalter 24 bzw. der jeweiligen ersten (positivspannungsseitigen) Bereiche 28 der Leistungsmodule 22 mit der ersten Steuerleiterplatte 42-1 elektrisch verbunden sind. Über zweite elektrische Verbindungen 60, die zwischen der zweiten Steuerleiterplatte 42-2 einerseits und den zweiten Bereichen 30 der jeweiligen Leistungsmodule 22 andererseits gebildet sind, sind Steuer-/Messsignalanschlüsse der jeweiligen Low-Side-Halbleiterschalter 26 bzw. der jeweiligen zweiten (negativspannungsseitigen) Bereiche 30 der Leistungsmodule 22 mit der zweiten Steuerleiterplatte 42-2 elektrisch verbunden.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sei angenommen, dass die High-Side-Halbleiterschalter 24 und Low-Side-Halbleiterschalter 26 jeweils in SiC-Technologie implementierte MOS-FETs sind, welche neben den herkömmlichen Source-, Gate- und Drain-Anschlüssen jeweils einen zusätzlichen Kelvin-Source-Anschluss aufweisen können, wobei die Gate-Anschlüsse und die Kelvin-Source-Anschlüsse der jeweiligen Halbleiterschalter 24, 26 zu deren zuverlässigen Betrieb jeweils über die jeweiligen elektrischen Verbindungen 50, 60 mit der entsprechenden Steuerleiterplatte 42-1, 42-2 elektrisch verbunden sind.
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Die Steuerleiterplatten 42-1, 42-2 können vorteilhaft z.B. jeweils mit mehrlagiger Signalführung, d.h. mit mehreren Leitungsebenen ausgebildet sein. Vorteilhaft können an den Steuerleiterplatten 42-1, 42-2 auch zusätzliche Schaltungsfunktionsteile (z.B. Gate-Schutz, -Beschaltung) integriert werden und z.B. komplette Gatetreiber einschließlich galvanischer Trennung dargestellt werden.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die elektrischen Verbindungen 50, 60 mittels Bonddrähten oder Bondbändchen implementiert, die jeweils einerseits an einer Leiterbahn der betreffenden Steuerleiterplatte 42 und andererseits an einer Leiterbahn des betreffenden Leistungsmoduls 22 elektrisch kontaktiert sind, wobei diese elektrischen Kontaktierungen jeweils einerseits an einem dem betreffenden Leistungsmodul 22 zugewandten Randbereich der betreffenden Steuerleiterplatte 42 und andererseits an einem der betreffenden Steuerleiterplatte 42 zugewandten Randbereich des betreffenden Leistungsmoduls 22 vorgesehen sind.
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Für die Steuerung der High-Side-Halbleiterschalter 24 über die ersten elektrischen Verbindungen 50 werden ausgehend von der ersten Steuerleiterplatte 42-1 Ansteuersignale an Steuersignalanschlüsse (hier: Gate-Anschluss und Kelvin-Source-Anschluss) der High-Side-Halbleiterschalter 24 übertragen, wohingegen für die Steuerung der Low-Side-Halbleiterschalter 26 über die zweiten elektrischen Verbindungen 60 ausgehend von der zweiten Steuerleiterplatte 42-2 Ansteuersignale an Steuersignalanschlüsse (hier: Gate-Anschluss und Kelvin-Source-Anschluss) der Low-Side-Halbleiterschalter 26 übertragen werden. Sämtliche dieser Ansteuersignale werden jeweils über eine hierfür eigens vorgesehene elektrische Verbindung der ersten bzw. zweiten elektrischen Verbindungen 50, 60 übertragen.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Steuerleiterplatten 42-1, 42-2 in der Anordnungsebene angeordnet, in welcher auch die Leistungsmodule 22-1, 22-2, 22-3 angeordnet sind. Zwischen einerseits der Reihe von Leistungsmodulen 22-1, 22-2, 22-3 und andererseits den Steuerleiterplatten 42-1, 42-2 verbleiben hier allenfalls kleine Spalte (alternativ: keine Spalte).
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Abweichend von diesem Beispiel könnte jedoch z.B. vorgesehen sein, dass die erste Steuerleiterplatte 42-1 die ersten Bereiche 28 der Leistungsmodule 22-1, 22-2, 22-3 wenigstens teilweise überlappt und/oder die zweite Steuerleiterplatte 42-2 die zweiten Bereiche 30 der Leistungsmodule 22-1, 22-2, 22-3 wenigstens teilweise überlappt, wobei in diesem Fall z.B. ein vertikaler Versatz der Steuerleiterplatte 42-1 und/oder der Steuerleiterplatte 42-2 bezüglich der Anordnungsebene der Leistungsmodule 22-1, 22-2, 22-3 vorgesehen sein könnte. Auch könnte in einer modifizierten Ausführungsform vorgesehen sein, dass wenigstens eine, insbesondere beide der Steuerleiterplatten 42-1, 42-2 mit nennenswerter Neigung bezüglich der Anordnungsebene der Leistungsmodule 22-1, 22-2, 22-3 orientiert angeordnet sind. Beispielweise könnten die Steuerleiterplatten 42-1, 42-2 im Wesentlichen vertikal bezüglich dieser Anordnungsebene orientiert sein, wobei diese in diesem Fall z.B. durch eine weitere Leiterplatte (die sich parallel, jedoch in vertikalem Abstand zur Anordnungsebene erstreckt), miteinander verbunden sein. In letzterem Fall ergäbe sich eine im Profil „U-förmige“ Steuerleiterplattenanordnung.
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Der dargestellte Inverter 10 umfasst ferner einen Trägerrahmen 70, im Beispiel aus Kunststoff, an welchem sämtliche Leistungsmodule 22, im Beispiel die drei Leistungsmodule 22-1, 22-2, 22-3, und sämtliche Steuerleiterplatten 42, im Beispiel die Steuerleiterplatten 42-1, 42-2, befestigt sind.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Leistungsmodule 22 und die Steuerleiterplatten 42 mittels in den Trägerrahmen eingeschraubte Schrauben befestigt. In den Figuren sind einige durch geeignete Aussparungen (z.B. Bohrungen) der Steuerleiterplatten 42 hindurch verlaufende Schrauben mit der Bezugszahl 72 gekennzeichnet. Ferner sind einige im Bereich von Spalten (bzw. Aussparungen in diesem Bereich) zwischeneinander benachbarten Leistungsmodulen 22 hindurch verlaufende Schrauben (in den Figuren nicht abgebildet) vorgesehen, die im Beispiel vorteilhaft zur Wärmeabfuhr beitragen (durch den thermischen Kontakt der Schraubenköpfe mit den betreffenden Leistungsmodulen 22 und den thermischen Kontakt der Schraubenschacht mit einem in den Figuren nicht dargestellten Kühler unterhalb der Leistungsmodule 22).
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Abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel könnten einige oder sämtliche der elektrischen Verbindungen 50, 60 jeweils einen Abschnitt aufweisen, der durch eine Leitung gebildet ist, die an dem Trägerrahmen 70 angeordnet und/oder im Material des Trägerrahmens eingebettet verlaufend ausgebildet ist. Die letztgenannte Ausführung könnte z.B. mit einem aus Kunststoffmaterial geformten Trägerrahmen mit darin eingeformten metallischen Leitungen realisiert sein, wobei eine elektrische Kontaktierung solcher eingeformten Leitungen an deren Enden z.B. über Kontaktstifte oder dergleichen bewerkstelligt werden kann, welche jeweils vertikal von einem Leistungsmodul bzw. einer Steuerleiterplatte abstehen und an oder in den Trägerrahmen hinein ragen (z.B. in dort vorgesehene Kontaktbuchsen des Trägerrahmens).
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Wie in 3 veranschaulicht ist, umfasst der dargestellte Inverter 10 ferner an jedem der Leistungsmodule 22 angeordnet eine erste streifenförmige Stromschiene 80 zur Versorgung der betreffenden Halbbrücke mit einem positiven Versorgungspotential, eine zweite streifenförmige Stromschiene 82 zur Versorgung dieser Halbbrücke mit einem negativen Versorgungspotential, und drei streifenförmige dritte Stromschienen 84 zur Ableitung jeweils eines Phasenstromes von einem Mittelabgriff jeweiliger Halbbrücken bzw. jeweils eines von drei Phasenströmen des Inverters 10.
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Diese Stromschienen 80, 82, 84 erstrecken sich jeweils parallel zur Anordnungsebene der Leistungsmodule 22 und entlang der Längserstreckungsrichtung ER der Leistungsmodulanordnung 20 und weisen jeweils mehrere (im Beispiel drei) Stromschienenausläufer auf, die ausgehend von einem Hauptabschnitt der betreffenden Stromschiene abgewinkelt bzw. gekröpft verlaufen und jeweils an einer Leiterbahn des betreffenden Leistungsmoduls elektrisch kontaktiert sind (z.B. verlötet oder verschweißt).
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Zusammenfassend ermöglichen die Erfindung und die beschriebenen Ausgestaltungen eine kompakte Dimensionierung eines Inverters mit sehr symmetrischem Design bezüglich der Pfade bzw. Leiterbahnen zur Ansteuerung von High-Side- und Low-Side-Halbleiterschaltern. Mit der Erfindung kann eine vorteilhafte Aufteilung von Schaltungsteilen des Inverters vorgesehen werden, einerseits in Hochstrompfade und Leistungshalbleiter auf mehreren thermisch belastbaren Schaltungsträgern (z.B. Keramiksubstraten) zur Bildung einer „Leistungsmodulanordnung“, und andererseits in Niederstrompfade und weitere Bauelemente zur Ausbildung einer Steuerelektronik auf (wenigstens) zwei „Steuerleiterplatten“. Dadurch kann auf der einen Seite, mit der Leistungsmodulanordnung, eine gute thermische Anbindung der kritischen Bauteile (umfassend High-Side- und Low-Side-Halbleiterschalter) erzielt werden, und können auf der anderen Seite, bei den über erste und zweite elektrische Verbindungen niederinduktiv anbindbaren Steuerleiterplatten, viele Freiheitsgrade genutzt werden, wie z.B. mehrere Signallagen und feinere Strukturen. In der Leistungsmodulanordnung ergibt sich eine gute Parallelschaltbarkeit (Vermeidung von Oszillationen) insbesondere bei Einsatz von SiC-Halbleitern als High-Side- und Low-Side-Halbleiterschalter. Durch die ermöglichte niederinduktive Gestaltung des Steuerkreises sind im Inverterbetrieb hohe Schaltgeschwindigkeiten und somit hohe Effizienz und hohe Ausnutzung der Eigenschaften von SiC-Halbleitern realisierbar. Mit dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein Inverter als eine funktionale Einheit bereitgestellt, die als IPM („Intelligent PowerModule“) mit vollständig integriertem Gatetreiber für FET-Halbleiterschalter ausgebildet werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Inverter
- 20
- Leistungsmodulanordnung
- 22-1 bis 22-3
- Leistungsmodule
- 24-1 bis 24-6
- High-Side-Halbleiterschalter
- 26-1 bis 26-6
- Low-Side-Halbleiterschalter
- 28
- erster Bereich
- 30
- zweiter Bereich
- 40
- Steuereinrichtung
- 42-1, 42-2
- Steuerleiterplatten
- 50
- erste elektrische Verbindungen
- 60
- zweite elektrische Verbindungen
- 70
- Trägerrahmen
- 72
- Schrauben
- 80
- erste Stromschiene
- 82
- zweite Stromschiene
- 84
- dritte Stromschiene
