DE112014006573T5 - Geformtes Modul - Google Patents

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Takahiro Okanoue
Masaaki Tanigawa
Kensuke Takeuchi
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung ein geformtes Modul zur Verfügung zu stellen, mit dem Verbesserungen bei der Anordenbarkeit und der Wärmeabführeigenschaft eines Umrichtermoduls selbst und bei der Anordnungskapazität einer Umfangsanordnungskomponente, wie beispielsweise einem Substrat, erhalten werden, welche in Bezug auf die Form des Moduls in Betracht gezogen werden müssen. Zur Verfügung gestellt wird ein Modul zur Verwendung bei Leistungselektronik aufweisend ein eingebautes Halbleiterelement, das verwendet wird, um einen großen Betrag Leistung bereitzustellen und zu steuern, wobei das geformte Modul zumindest ein Halbleiterschaltelement, das in dem Modul vorgesehen ist, und einen Leiterrahmen, der Wärme von dem Schaltelement abführt und elektrisch ein Element, das in dem Modul angeordnet ist, mit einem externen Schaltkreis verbindet, aufweist, wobei zumindest ein Ende des Moduls in einer gekrümmten oder einer polygonalen Form geformt ist.

Description

  • [Technisches Gebiet]
  • Diese Erfindung betrifft ein geformtes Modul zur Verwendung bei Leistungselektronik, aufweisend ein eingebautes Halbleiterelement, das verwendet wird, um einen großen Betrag an Leistung bereitzustellen und zu steuern.
  • [Stand der Technik]
  • Leistungselektronik wird stärker bei Produkten eingesetzt, die auf dem Gebiet der rotierenden, elektrischer Maschinen liegen, wie beispielsweise Motoren und Generatoren, mit dem Ziel des Verbesserns der Ausgangsleistung des Produktes pro Volumeneinheit/Gewicht und als Antwort auf Marktanforderungen nach verbesserter Effizienz. Ferner konnte in den letzten Jahren eine zunehmende Bewegung in Richtung Reduzierung der Größe der Produkte wahrgenommen werden, insbesondere durch Verwenden elektromechanisch integrierter Strukturen.
  • Insbesondere wird eine bekannte elektrische Servolenkungsvorrichtung konstruiert, indem ein Umrichterschaltkreis ausgebildet wurde, um einen Motor anzutreiben, aus einer Vielzahl geformter Module und durch Anordnen der geformten Module in einer Radialform, die an einer Welle zentriert ist, an einer Folie, die an einem Endabschnitt des Motors vorgesehen ist und die aus einem Material ausgebildet ist, das eine verbesserte thermische Leitfähigkeit aufweist, wie zum Beispiel Aluminium (siehe beispielsweise PTL 1).
  • Durch Ausbilden der elektrischen Servolenkungsvorrichtung auf diese Weise kann der Umrichterschaltkreis, der verwendet wird, um einen großen Strom zu steuern, effizient in einer kleinen, kompakten Größe ausgebildet werden und in der Umgebung des Motors angeordnet werden und zur selben Zeit kann die Wärme abgeführt werden und die Module können auf eine vernünftige Weise befestigt werden.
  • Ferner wurde ein Umrichtermodul, bei dem ein Modul auf eine trapezförmige Form ausgebildet ist und eine Vielzahl Module nahe zueinander in einer insgesamt ringförmigen Form angeordnet sind, wodurch eine verbesserte Anordnungseffizienz erreicht wird, vorgeschlagen (siehe beispielsweise PTL 2).
  • [Zitierungsliste]
  • [Patentliteratur]
  • [PTL 1]
    • Japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. 2011-239574
  • [PTL 2]
    • Japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. 2013-188027
  • [Zusammenfassung der Erfindung]
  • [Technisches Problem]
  • Jedoch weist der Stand der Technik die folgenden Probleme auf.
  • Ein äußeres Gehäuse einer rotierenden Struktur, wie beispielsweise ein Rahmen oder ein Gehäuse einer rotierenden elektrischen Maschine, wie beispielsweise ein Motor oder ein Generator, ist typischerweise in einer im Wesentlichen kreisförmigen Form gestaltet, um eine Rotationsfunktion sicherzustellen. Daher werden, wenn versucht wird, eine kompakte Struktur für eine elektromechanisch integrierte Struktur umzusetzen, elektrische und elektronische Schaltkreisteile, die volumeneinnehmende Strukturen darstellen, wie beispielsweise ein Umrichterschaltkreis, bevorzugt gestaltet, um sich einem kreisförmigen inneren Raum anzupassen. In anderen Worten können entsprechende funktionelle Bauteile innerhalb eines zulässigen Raums effizienter untergebracht werden, wenn sie in einer zylindrischen Form ausgebildet werden.
  • Hier wird in dem Beispiel von PTL1 die Aufgabe erreicht, indem vier Umrichtermodule und Leistungsbereitstellmodule in einer radialen Form angeordnet werden, die sich in vier Richtungen um die Welle des Motors an einem Rahmen erstreckt, der eine senkrechte Ebene zu der Welle ausbildet und als Wärmesenke wirkt. Jedoch werden die Module in einer rechtwinkligen Form ausgebildet und daher verbleiben Teile, die nicht in der Lage sind die Module zu kontaktieren, an der im Wesentlichen diskförmigen Wärmesenkenoberfläche. Als ein Ergebnis verbleibt ein Platz zur Verbesserung bei der Gestaltung in Anbetracht der effektiven Oberflächenfläche, die zur thermischen Leitung beiträgt.
  • Ferner werden im Beispiel von PTL 2 trapezförmige Module vorgeschlagen und gemäß einem dargestellten Diagramm werden neun Module in einer ringförmigen Form innerhalb einer Einfallsebene angeordnet. Jedoch kann in dem Fall einer einfachen Konfiguration, wie beispielsweise einem einzelnen Umrichter eines typischerweise, breit eingesetzten Dreiphasenmotors ein Umrichterschaltkreis verwendend nur drei Module konstruiert werden, sogar wenn Umrichtermodule aufweisend ein oberes/unteres Paar eingebauter Arme verwendet werden.
  • Auf der Basis dieses Vorschlages werden daher drei trapezförmige Module in einer Radialform um die Welle des Motors angeordnet. In diesem Fall erstrecken sich drei Seiten des Trapezes leicht über einen Bogen hinaus, der durch einen inneren Durchmesser des Motorrahmens ausgebildet wird und daher wird eine große Verbesserung gegenüber den rechteckförmigen Modulen bei der Effizienz, mit der die Module an der Wärmesenkenebene angeordnet sind, nicht erreicht.
  • Ferner ist es bei einer Gestaltung zum Reduzieren der Größe des Produktes wichtig, die effektive Oberflächenfläche eines Substrats zu maximieren, das zur Anordnung der Komponenten verwendet wird, indem Positionen optimiert werden, an welche Steuersignalanschlüsse, die aus den geformten Modulen herausgeführt werden, mit dem Substrat verbunden werden.
  • Hier werden bei dem Beispiel von PTL 1 die Steuersignalanschlüsse aus den Modulen an Positionen herausgeführt, die an der Motorwellenseite (einer inneren Umfangsseite) der rechteckförmigen Module angeordnet ist, die Anschlüsse werden angeordnet, um den Umfang der Welle des Motors zu umgeben und Pinpositionen werden vorgesehen, um die Anschlüsse mit dem Substrat zu verbinden. Wenn die Pins auf eine geradlinige Weise angeordnet werden, nimmt die Oberflächenfläche eines zentralen Abschnitts des Substrats, der für die Anordnung der Komponenten verwendet werden kann, ab.
  • Ferner werden in dem Beispiel von PTL 2 die Steuersignalanschlüsse an einer äußeren Umfangsseite angeordnet. Bei dieser Konfiguration führen die Steuersignalanschlüsse aus den Modulen gleich an einer gleichen Achse heraus, um sich entlang der Module zu erstrecken, wodurch die Anschlüsse mit dem Substrat verbunden werden, während sie in einer geradlinigen Form an einem Ende des Substrats angeordnet sind und als ein Ergebnis wird ein äußerer Umfangsabschnitt des Substrats von einem polygonalen Verbindungsanschlussanordnungsbereich umgeben. Folglich, obwohl das kreisförmige Gehäuse und die Komponentenanordnungsoberfläche davon ursprünglich dazu gedacht sind, um als ein Gehäuse der rotierenden elektrischen Maschine verwendet zu werden, kann der äußerste Umfangsabschnitt des Substrats nicht effizient verwendet werden.
  • Die Erfindung wurde gestaltet, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen und es ist eine Aufgabe davon, ein geformtes Modul zu erhalten, mit dem Verbesserungen bei der Raumausnutzungsfähigkeit und Wärmeableitungseigenschaft eines Umrichtermoduls selbst und bei der Anordnungskapazität einer Umfangsanordnungskomponente, wie beispielsweise einem Substrat, welche in Bezug auf die Form des Moduls berücksichtigt werden muss, verbessert werden können.
  • [Lösung des Problems]
  • Ein geformtes Modul gemäß dieser Erfindung ist ein geformtes Modul zur Verwendung bei Leistungselektronik aufweisend ein eingebautes Halbleiterelement, das verwendet wird, um einen großen Betrag an Leistung bereitzustellen und zu steuern, und umfasst zumindest ein Halbleiterschaltelement, das in dem Modul vorgesehen ist, und einen Leiterrahmen, der Wärme von dem Schaltelement abführt und der elektrisch ein Element, das in dem Modul angeordnet, mit einem externen Schaltkreis verbindet, wobei zumindest ein Ende des Moduls in einer gekrümmten Form oder einer Polygonalform geformt ist.
  • [Vorteilhafte Effekte der Erfindung]
  • Das geformte Modul gemäß dieser Erfindung umfasst zumindest ein Halbleiterschaltelement, das in dem Modul vorgesehen ist, und einen Leiterrahmen, der Wärme von dem Schaltelement abführt und der elektrisch ein Element, das in dem Modul angeordnet ist, mit einem externen Schaltkreis verbindet und wobei zumindest ein Ende des Moduls in einer gekrümmten Form oder einer Polygonalform geformt ist.
  • Als ein Ergebnis können Verbesserungen bei der Raumausnutzungsfähigkeit und der Wärmeableitungsfähigkeit des Umrichtermoduls selbst und bei der Anordnungskapazität einer Umfangsanordnungskomponente, wie beispielsweise einem Substrat, welche in Bezug auf die Form des Moduls in Betracht gezogen werden muss, erreicht werden.
  • [Kurze Beschreibung der Zeichnungen]
  • 1A und 1B sind Ansichten, die eine Konfiguration des geformten Moduls gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung zeigen.
  • 2 ist ein Schaltkreisdiagramm, das einen Schaltkreis zeigt, der in das geformte Modul, das in 1 gezeigt ist, eingebaut ist.
  • 3 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration eines Steuergeräteteils (MSG) eines elektromechanisch integrierten Motors zeigt, in dem das geformte Modul gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung angeordnet ist.
  • 4 ist eine Ansicht, die eine Entwicklung der Gesamtstruktur des elektromechanisch integrierten Motors zeigt, in dem das geformte Modul gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung angeordnet ist.
  • 5 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische Servolenkungsvorrichtung zeigt, bei der das geformte Modul gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung angewendet wird.
  • 6 ist eine Ansicht, die eine Biegestruktur eines Signalanschlusses in einem geformten Modul gemäß einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt.
  • 7A und 7B sind Ansichten, die eine äußere Form eines geformten Moduls gemäß der dritten Ausführungsform dieser Erfindung zeigen.
  • 8 ist eine Ansicht, die eine Isolierungsstruktur eines geformten Moduls gemäß einer vierten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt.
  • [Beschreibung der Ausführungsformen]
  • Bevorzugte Ausführungsformen eines geformten Moduls gemäß dieser Erfindung werden im Detail unter Verwendung der Zeichnungen beschrieben. Es sei angemerkt, dass das geformte Modul gemäß dieser Erfindung als ein Leistungsschaltkreis verwendet wird, der mit einer rotierenden, elektrischen Maschine kombiniert wird, wie beispielsweise ein Motor oder ein Generator, und bei einem Leistungselektronikschaltkreis angewendet wird, insbesondere einem Leistungselektronikschaltkreis mit einem eingebauten Halbleiterschaltelement, welcher mit dem Ziel verwendet wird, Produktfunktionen effizient umzusetzen, während eine kleine, kompakte Größe beibehalten wird, durch Verwenden einer elektromechanisch integrierten Struktur.
  • Erste Ausführungsform
  • 1A und 1B sind Ansichten, die eine Konfiguration eines geformten Moduls gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung zeigen. In 1A und 1B werden ein Halbleiterschaltelement 101 (ein MOSFET), das zum Steuern der Bereitstellung eines großen Stromes benötigt wird, ein Stromerfassungsnebenschlusswiderstand 102 und ein rauscharmer Kondensator 103 in das geformte Modul eingebaut, um eine Schaltkreisfunktion umzusetzen.
  • Ferner wird ein gut leitender, thermisch leitender Leiterrahmen 104, der aus Kupfer, einer Kupferlegierung oder dergleichen ausgebildet ist und in einer Inselbauweise ausgebildet ist, um die jeweils angeordneten Elemente voneinander zu trennen, vorgesehen, um Verbindungen zwischen den angeordneten Elementen auszubilden, wodurch ein Schaltkreis umgesetzt wird, während gleichzeitig Wärme, die von den angeordneten Elementen erzeugt wird, nach außen abgeführt wird.
  • Ferner werden die Elemente in dem Modul angeordnet, indem der Leiterrahmen 104 mit den Elementen elektrisch und mechanisch verbunden wird, verwendend ein Lötmittel oder eine leitende Paste, und durch Verbinden der Elemente mit anderen Inseln als elektrischen Verbindungen ausgehend von Elektroden an einer Oberfläche der Elemente verwendend Lötzinnanordnungen mittels Clipleitungen 105 oder Drahtanschlüsse 106.
  • Ferner, um eine mechanische Deformation der Elemente und Verbindungsstrukturen, die an dem Leiterrahmen 104 angeordnet sind, zu verhindern und um sicherzustellen, dass die Elemente und Verbindungsstrukturen isoliert sind und vor Feuchtigkeit geschützt sind, wird ein Formen verwendend Harz 108 an einer Elementanbringoberfläche des Leiterrahmens 104 durchgeführt, wodurch eine Modulanordnung ausgebildet wird.
  • Hier wird an einem Ende, an dem der Leiterherausführabschnitt 107 vorhanden ist, ein innerer Schaltkreis des Moduls, der einen Schutz erfordert, nach außen abgeschirmt, indem ein Formen dort unter Verwendung des Harzes 108 durchgeführt wird, während die Inseln des Leiterrahmens 104, an welchen die entsprechenden Elemente angeordnet werden, geeignet ausgelegt werden, sodass die Herausführpositionen der Anschlüsse entlang der Enden der Leiterrahmeninseln angeordnet sind. Als ein Ergebnis wird ein Modulformabschnitt 109 in einer gekrümmten Oberflächenform oder einer polygonalen Form ausgebildet, was eine hocheffiziente Anordnung davon entlang eines inneren Umfangs der rotierenden elektrischen Maschine ermöglicht.
  • 2 ist ein Schaltkreisdiagramm, das einen Schaltkreis zeigt, der in das geformte Modul, das in 1 gezeigt ist, eingebaut ist (darin ausgebildet ist). In 2 ist ein Satz elektronischer Komponenten, die einen Schaltkreis ausbilden, das heißt, ein MOSFET 201, ein Nebenschlusswiderstand 202 und ein Kondensator 203, an dem Leiterrahmen 204 angeordnet, der von einer Harzform 208 geschützt wird.
  • Ferner sind die entsprechenden Bauteile mit dem Leiterrahmen 204 verbunden, in dem Elemente, wie beispielsweise Clipleiter 208 und Drahtanschlüsse 206 verbunden werden. Der Leiterrahmen 204 wird zu einem Harzformaußenverbindungsanschluss 207 herausgeführt, wodurch ein Umrichterschaltkreis und eine Phasenblockierschaltfunktion eines Umrichters als Ganzes in einer einzelnen Anordnung vereint werden.
  • Einzelne Anschlüsse zum Steuern der entsprechenden MOSFETs 201 und zum Erfassen von Umrichterphasenströmen werden kollektiv zu einer Seite 209 oder in anderen Worten zu der Modulformabschnittsseite 109 in 1 herausgeführt, wodurch Verbindungen mit einem Steuerschaltkreis umgesetzt werden.
  • 3 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration eines Steuergeräts (MSG) eines elektromechanisch integrierten Motors zeigt, in dem das geformte Modul gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung angeordnet ist. Es sei angemerkt, dass 3 ein Beispiel einer Struktur einer Umrichtersteuereinheit zeigt.
  • In 3 umfasst die Umrichtersteuereinheit einen dreiphasigen Umrichterantriebsschaltkreis zum Antreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors und ist ausgebildet, um einstückig und koaxial mit dem Motor angeordnet zu sein, wodurch eine Struktur ausgebildet wird, die als kompaktes Leistungspackmodul dient.
  • Um diese koaxial integrierte Struktur umzusetzen, wird ein Gehäuse 302, das die Umrichtersteuereinheit unterbringt, so ausgebildet, dass ein Durchgangsloch in einem zentralen Abschnitt davon ausgebildet wird und ein Rotationswinkelsensor (ein Koordinatenwandler), der ein Lager zum Abstützen einer Ausgangswelle des Motors aufnimmt und gleichzeitig einen elektrischen Winkel des Motors aus einem elektrischen Signal ermittelt, das einer magnetischen Feldstärke eines Rotors entspricht, der an der Ausgangswelle befestigt ist, koaxial dazu angeordnet ist.
  • Ferner muss das Gehäuse 302 als Wärmesenke in Bezug auf Wärmeverluste dienen, die in einem geformten Modul 301 während einem Umrichterschaltbetrieb auftreten und ist daher aus einem Material ausgebildet, wie beispielsweise einer Aluminiumdruckgusslegierung, die sowohl eine große Wärmeableitungsfähigkeit als auch mechanische Steifigkeit aufweist.
  • Das geformte Modul 301 wird an dem Gehäuse 302 befestigt, um darin aufgenommen zu sein, indem Schrauben einer Rahmenbaugruppe 302 angezogen werden, die aus Harz geformt ist. Zu diesem Zeitpunkt werden eine Wärmeabführlage, Schmiermittel usw. zwischen einer Wärmeableitungsoberfläche des geformten Moduls 301 und der Wärmesenke angeordnet, um eine thermische Leitfähigkeit und elektrische Isolierung zwischen der Wärmeableitungsoberfläche und der Wärmesenke sicherzustellen.
  • Ferner wird eine Sammelschiene 305 zum Bereitstellen von Leistung an das geformte Modul 301 in der Rahmenbaugruppe 303 vorgesehen und Leistung von außen wird mit einer Verbinderbaugruppe 304 aufgenommen.
  • Hier wird eine Spule zum Verhindern, dass Schaltgeräusche, die mit einem Umrichterbetrieb in dem geformten Modul 301 einhergehen, nach außen dringen und ein Koppelkondensator zum Stabilisieren der Leistungsversorgung mit der Sammelschiene 305 gemeinsam mit dem geformten Modul 301 verbunden, wodurch eine Bahn, entlang der ein großer Strom während dem Umrichterbetrieb bereitgestellt wird, ausgebildet wird.
  • Ferner wird ein Signalpin des geformten Moduls 301 mit einem Kontrollpanel 306 über ein Durchgangsloch verbunden, das in der Rahmenbaugruppe 303 vorgesehen ist. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Signalpin, der sich von einem Signalverbinderabschnitt der Verbinderbaugruppe 304 erstreckt, auf ähnliche Weise mit dem Kontrollpanel 306 verbunden.
  • Gemäß dieser Anordnung wird das geformte Modul 301 auf eine radiale Weise um eine Welle einer rotierenden elektrischen Maschine angeordnet, wie beispielsweise von einem Motor, und eine Leistungsversorgung und ein Erdanschluss werden herausgeführt zu einem inneren Umfangsabschnitt in der Nähe der Welle, wodurch die Verbindung mit der Sammelschiene 305 an einem Ring vereinfacht wird. Die Leistungsbereitstellbahn zum Bereitstellen des großen Stroms kann aus einer Schleife aufweisend eine minimale Länge ausgebildet werden, wodurch Leistungsverluste und Schaltgeräusche reduziert werden. Im Übrigen wird durch Herausführen der Umrichteranschlüsse, um an einem geformten äußeren Umfangsabschnitt angeordnet zu sein, der in einer gegenüberliegenden, gekrümmten Form oder einer polygonalen Form geformt ist, eine optimale Anordnung zum Verbinden des geformten Moduls mit einer Wicklung der rotierenden, elektrischen Maschine umgesetzt.
  • 4 ist eine Ansicht, die eine Entwicklung der Gesamtstruktur des elektromechanisch integrierten Motors zeigt, bei dem das geformte Modul gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung angeordnet ist. Es sei angemerkt, dass 4 ein Beispiel zeigt, in welchem ein Motorabschnitt gemeinsam mit der Umrichtereinheit von 3 montiert ist, um ein vollständiges Leistungspackmodul auszubilden.
  • In 4 wird, um einem Motor 401 Leistung bereitzustellen ein Ausgangsanschluss 412, der aus einem geformten Modul 402 herausgeführt wurde, an eine Rahmenbaugruppe 403 geschweißt und ein Relaisanschluss 406 wird an einer Abdeckung 405 eines Kontrollpanels 404 befestigt und unter Druck an einen Anschluss 407 geschweißt, der aus der Motorseite 401 über den Relaisanschluss 406 herausgeführt wurde. Als ein Ergebnis wird eine gegenseitige elektrische Verbindung umgesetzt.
  • Hier wird eine Wicklung des Motors 401, die um einen Kern gewickelt wurde, in einen Motorrahmen 408 pressgepasst und ein Lager an der Aufnahmeseite einer Rotorwelle 409 wird innerhalb eines Endabschnitts 4100 des Motorrahmens 408 gehalten. Ein Permanentmagnet 411, der gemeinsam mit der Wicklung des Motors 401 wirkt, wird an der Welle des Rotors befestigt und der Rotor erzeugt ein Rotationsdrehmoment als Antwort auf einen Antriebsstrom, der von einem Umrichtermodul bereitgestellt wird.
  • Hier kann durch Verwenden des geformten Moduls gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung ein Umrichterschaltkreis effizient in einem beschränkten Raum mit einer koaxialen Form ausgebildet werden und als ein Ergebnis kann ein Leistungspackmodul mit einer elektromechanisch integrierten koaxialen Struktur kompakt ausgebildet werden.
  • Ferner stellt 5 ein Blockdiagramm dar, das elektrische Funktionen zeigt, umfassend eine externe Schnittstelle, in einem Fall, in dem eine elektrische Servolenkvorrichtung, die an einem Lenkgetriebe befestigt ist, um eine Kraft zu reduzieren, die benötigt wird, um ein Lenkrad eines Automobils zu steuern, verwendet wird, als ein spezifisches Beispiel einer Anwendung eines Leistungspackmoduls 501.
  • In 5 umfasst das Leistungspackmodul 501 einen Wandlerabschnitt, der durch einen Motor 502 und einen Rotationswinkelsensor 503, der einen Rotationswinkel des Motors 502 erfasst, eine Rahmenbaugruppe 508, die das geformte Modul (ein Leistungsmodul 504, ein Relaismodul 505, einen Kondensator 506 und eine Spule 507) mit einer Sammelschiene verbindet, gebildet wird, wodurch ein Hauptschaltkreis ausgebildet wird, und eine Steuerplatte 512, an der ein Mikrocomputer 509 zum Steuern von Betrieben des Hauptschaltkreises, ein Schnittstellenschaltkreis 510, wie beispielsweise ein Sensor, ein PWM-Vor-Antrieb 511, der den Hauptschaltkreis antreibt usw., angeordnet sind.
  • Ferner erhält eine Leistungsversorgung des Leistungspackmoduls 501 Leistung von einer Batterie 513 eines Fahrzeuges und wird in die Sammelschiene der Rahmenbaugruppe 508 über einen Verbinderanschluss 514 gezogen. Ein Leistungsbereitstellschaltkreis 515 an der Steuerplatte ist verantwortlich für das Abschalten der Leistungsversorgung im Inneren eines Substrats als Antwort auf die Leistungsbereitstellung der Batterie und eines Zündschaltsignals und, wenn die Leistungsbereitstellung im Inneren des Substrats beginnt, wird eine Mikroprozessoreinheit (MPU) aktiviert.
  • In dieser elektrischen Servolenkungseinrichtung führt beim Anfahren des Systems die MPU einen Anfangscheck an dem jeweiligen Schnittstellenschaltkreis 510 und dem Hauptschaltkreis durch und, wenn keine Abnormalitäten erkannt werden, beaufschlagt sie all die Schaltkreise, sodass ein Betrieb möglich wird.
  • Als nächstes berechnet die MPU einen Drehmomentwert, der von dem Motor zu erzeugen ist, und aktualisiert diesen, oder, in anderen Worten ein Lenkradunterstützungsdrehmoment, indem periodisch ein Erfassungswert einer Lenkradsteuerkraft, die von einem Fahrer angelegt wird, über einen Drehmomentsensor IF empfangen wird und indem simultan Informationen über eine Fahrzeuggeschwindigkeit, einen Lenkwinkel usw. von einer Kommunikationsschnittstelle empfangen werden. Ein Motorleistungsbeaufschlagungszielwert wird anschließend auf der Basis dieses Wertes ermittelt.
  • Ferner ermittelt die MPU eine Antriebseinschaltdauer für jede Phase der Motorwicklung gemäß einem elektrischen Motorwinkel, der von dem Rotationswinkelsensor 503 und dem Rotationswinkelsignal IF 510 empfangen wird und gibt Umrichterantriebseinschaltsignale für die entsprechenden Phasen an den PWM-Vor-Antrieb 511 aus. Das Leistungsmodul 504 wird anschließend von dem Vor-Antriebsschaltkreis angetrieben, wodurch der Hauptschaltkreis einen Umrichterbetrieb durchführt. Als ein Ergebnis hängt eine durchschnittliche Spannung der entsprechenden Anschlüsse des Motors von einer PWM-Modulationsspannung gemäß einer Anweisung der MPU ab.
  • Hier wird ein Motorstrom gemäß einer durchschnittlichen PWM-Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen des Motors ermittelt, wonach ein Motorstromwert für jede Phase von einem Stromerfassungsnebenschlusswiderstand erfasst wird und von der MPU von einem Stromerfassungssignalverstärker 516 über eine A/D-Umwandlungseinrichtung erfasst wird. Demgemäß ist der Motorstrom gemäß dem Motorleistungsbeaufschlagungszielstrom geregelt und als ein Ergebnis wird der Motor dazu gebracht ein optimales Unterstützungsdrehmoment gemäß einem Fahrzeugverhalten, wie beispielsweise dem Lenkdrehmoment, das von dem Drehmomentsensor erfasst wurde, der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem Lenkwinkel zu erzeugen, wodurch ein Servolenkbetrieb möglich wird.
  • Das geformte Modul gemäß der ersten Ausführungsform, wie oben beschrieben, umfasst zumindest ein Halbleiterschaltelement, das in dem Modul vorgesehen ist, und einen Leiterrahmen, der Wärme von dem Schaltelement abführt und der elektrisch ein Element, das in dem Modul angeordnet ist, mit einem externen Schaltkreis verbindet und zumindest ein Ende des Moduls ist in einer gekrümmten Form oder eine polygonalen Form geformt. Als ein Ergebnis können Verbesserungen bei der Anordnungsfähigkeit und der Wärmeabführleistung des Umrichtermoduls selbst und bei der Anordnungskapazität einer Umfangsanordnungskomponente, wie beispielsweise einem Substrat, welches in Betracht gezogen werden muss, in Bezug auf die Form des Moduls erreicht werden.
  • Im Speziellen ist das geformte Modul gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung ein geformtes Modul zur Verwendung bei Leistungselektronik, das in einem äußeren Gehäuse einer rotierenden elektrischen Maschine mit einer zylindrischen oder ähnlichen Form untergebracht ist und das angeordnet ist, um sich in einer Radialform von einem Wellenabschnitt der rotierenden elektrischen Maschine an einer Ebene zu erstrecken, die senkrecht zu dem Wellenabschnitt ist. Das geformte Modul ist ausgebildet, um zumindest ein Halbleiterschaltelement und einen Leiterrahmen aufzuweisen, der wirkt, um Wärme von dem Schaltelement abzuführen und um elektrisch einen externen Schaltkreis mit dem Element zu verbinden, sodass ein Betrieb möglich ist, und ein geformter äußerer Umfangsabschnitt des Moduls wird durch Formen von zumindest einem Ende des Moduls gemäß einer gekrümmten Form oder einer polygonalen Form ausgebildet, sodass das Modul effizient gemäß einer inneren Umfangsform eines Gehäuseendabschnittes der rotierenden elektrischen Maschine untergebracht werden kann.
  • Mit dieser Konfiguration kann die Form des Moduls optimiert werden und als ein Ergebnis kann eine Umrichtervorrichtung in ihrer Größe reduziert werden, wodurch eine Optimierung und Größenreduzierung in Bezug auf eine Produktform möglich wird und wodurch zu einer Verbesserung einer elektrischen Eigenschaft beigetragen wird. Insbesondere kann durch Verwenden einer gekrümmten oder polygonalen äußeren Form die eine maximal verpackbare äußere Form unterbringt, sodass die äußere Form des Moduls entlang des inneren Rahmendurchmessers der rotierenden elektrischen Maschine angeordnet werden kann, die Wärmeableitungsoberfläche zwischen dem Modul und der Wärmesenke erhöht werden, der thermische Widerstand an der Kontaktoberfläche kann reduziert werden und die Wärmeabführeigenschaft kann verbessert werden.
  • Ferner werden in den entsprechenden geformten Modulen, die um den inneren Umfang der rotierenden elektrischen Maschine angeordnet sind, eine Leistungsversorgung und ein Erdanschluss herausgeführt zu und angeordnet in dem inneren Umfangsabschnitt in der Nähe der Welle der rotierenden elektrischen Maschine und ein Umrichteranschluss wird herausgeführt zu und angeordnet in dem geformten äußeren Umfangsabschnitt, der durch Formen des elektrischen Moduls zu einer gekrümmten Form oder einer polygonalen Form erhalten wird, wobei der geformte äußere Umfangsabschnitt der rotierenden elektrischen Maschine gegenüberliegt. Ferner wird zumindest ein Paar Schaltelemente zum Betreiben eines komplementären Umrichters in das Modul eingebaut.
  • Mit dieser Konfiguration wird Leistung dem Umrichter über eine Sammelschienenschleife aufweisend eine minimale Länge bereitgestellt, die ausgebildet ist, um in der Nähe der Welle der rotierenden Maschine angeordnet zu sein, und ein Ausgangsanschluss des Moduls ist auf einer Seite in der Nähe des Verbindungsabschnittes einer Windung der rotierenden elektrischen Maschine angeordnet. Als ein Ergebnis weist auch die Verbindung der Windung der rotierenden elektrischen Maschine eine minimale Länge auf und daher können optimale Verbindungen ausgebildet werden sowohl elektrisch als auch strukturell.
  • Zweite Ausführungsform
  • Um die Anordnungseffizienz in einer Einrichtung zu verbessern, ist es effektiv die Anschlüsse zu biegen, die aus dem geformten äußeren Umfangsabschnitt herausgeführt werden, um eine elektrische Verbindung auszubilden, wobei der geformte äußere Umfangsabschnitt erhalten wird, indem das geformte Modul in einer gekrümmten oder polygonalen Form geformt wird, an Positionen, die sich entlang des äußeren Umfangs der Krümmung oder des Polygons erstrecken.
  • Ein Verfahren zum Umsetzen dieser Konfiguration wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. 6 ist eine Ansicht, die eine Biegestruktur eines Signalanschlusses in einem geformten Moduls gemäß einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt.
  • In 6 werden erste Linien 111, 112, 113, 114, 115, 116 orthogonal zu einer Bezugsachse 110 eingestellt, die an einer Ebene des geformten Moduls festgelegt ist. Die Anschlüsse 117, 118, 119, 120, 121, 122, 123, 124 werden entsprechend entlang der Linien 111 bis 116 gebogen.
  • Als ein Ergebnis kann ein Basismaterial, das die Anschlüsse ausbildet, in der benötigten Anschlusslänge in der Richtung der Achse 110 vorbereitet werden und aus einer Form herausgestanzt werden. Folglich kann die geformte äußere Umgebung in einer einfach anordenbaren Form ausgebildet werden, wie beispielsweise einer gekrümmten Oberfläche oder einer polygonalen Form und die Verbindungsanschlüsse können kompakt in Formen herausgeführt werden, die der äußeren Umfangsform entsprechen, während eine günstige Effizienz in Anbetracht des Schneidens des Materials des Anschlussmaterials aufrechterhalten wird.
  • Das geformte Modul gemäß der zweiten Ausführungsform, wie oben beschrieben, umfasst eine Vielzahl Elektrodenanschlüsse, die aus dem geformten äußeren Anschlussabschnitt herausgeführt werden, der durch Formen des Moduls in einer gekrümmten Form oder einer polygonalen Form erhalten wird, wodurch eine Biegebearbeitung, die an einem Biegepunkt von jedem Elektrodenanschluss umgesetzt wird, entlang einer Linie durchgeführt wird, die senkrecht zu einer vorgegebenen Achse innerhalb einer Modulebene ist, und ein Endabschnitt des gebogenen Elektrodenanschlusses wird verwendet, um das geformte Modul mit dem externen Schaltkreis zu verbinden.
  • Mit dieser Konfiguration können die Verbindungsanschlüsse, die aus dem Modul herausgeführt wurden und gebogen wurden um mit der elektrischen Schaltkreisplatte, die das Modul steuert, verbunden zu sein, auf ähnliche Weise an dem äußeren Umfang des Moduls angeordnet werden, sodass die maximale effektive Substratoberflächenfläche entlang einer Wandoberfläche der rotierenden elektrischen Maschine ansteigt, wodurch zu einem Anstieg der Komponentenanordnungsoberflächenfläche des Substrats beigetragen wird.
  • Dritte Ausführungsform
  • Um die Effizienz zu verbessern, mit der die Komponenten an einer Anordnungsoberfläche des geformten Moduls angeordnet werden, kann eine Ausnehmung an einer Seitenfläche des geformten Moduls ausgebildet werden, aus der keine Elektroden herausgeführt werden. Ein Verfahren zum Umsetzen dieser Konfiguration wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 7A und 7B beschrieben. 7A und 7B sind Ansichten, die eine äußere Form eines geformten Moduls gemäß einer dritten Ausführungsform dieser Erfindung zeigen.
  • In 7A und 7B wird eine gekrümmte oder polygonale Ausnehmung 704 an einer angrenzenden Seite 703 an einen Anschlussherausführabschnitt 702, der durch Formen eines geformten Moduls 701 zu einer gekrümmten Form oder einer polygonalen Form erhalten wird, vorgesehen. Als ein Ergebnis können andere Komponenten, wie beispielsweise ein Kondensator in Räumen untergebracht werden, die durch Hohlräume erhalten werden, wenn die Module angeordnet werden, um ein Steuergerät auszubilden.
  • Durch Gestalten des geformten Moduls 701 gemäß dieser Form können ein Kondensator 705, der verwendet wird, um das Schwanken einer Spannung und eines Stromes eines Leistungsbereitstellsystems während eines Schaltbetriebs des geformten Moduls 701 beispielsweise zu unterdrücken, auf optimale Weise angeordnet werden. Um Spannungsschwankungen einer Leistungsversorgung, die dem Umrichter zugeführt wird, zu unterdrücken, ist es effektiv den Kondensator 705 so nahe wie möglich an dem geformten Modul anzuordnen und durch Verwenden des geformten Moduls 701 mit der oben beschriebenen Form kann diese Aufgabe erfüllt werden.
  • Gemäß der dritten Ausführungsform, wie oben beschrieben, wird eine gekrümmte oder polygonale Ausnehmung, die in Richtung einer Innenseite des Moduls ausgenommen ist, an zumindest eine Seite des Moduls ausgebildet, die an den geformten äußeren Umfangsabschnitt angrenzt, der durch Formen des Moduls in einer gekrümmten Form oder einer polygonalen Form erhalten wird.
  • Eine Voraussetzung für das geformte Modul gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung ist, dass das geformte Modul im Wesentlichen in einer Lüfterform ausgebildet wird, wobei der äußere Umfangsabschnitt eine gekrümmte oder polygonale Form einnimmt, von der die Abmessungen eingestellt sind, um die maximale äußere Form zu erhalten, die ein Anordnen um den inneren Umfang der rotierenden elektrischen Maschine ermöglicht, während der innere Umfangsabschnitt des Moduls eine kürzere Seite aufweist als der äußere Umfang, um um die Welle der rotierenden elektrischen Maschine zu passen.
  • Indem auf diese Weise eine Ausnehmung in der Modulseitenfläche ausgebildet wird, können ein Umfangselement oder eine Struktur in dem Spalt angeordnet werden, der in der Modulseitenfläche ausgebildet ist und als ein Ergebnis kann ein Umrichterschaltkreis mit hoher Dichte hergestellt und als ein elektromechanisch integriertes Produkt angeordnet werden, das das Modul aufweist.
  • Vierte Ausführungsform
  • In der ersten Ausführungsform wurde vorgeschlagen, dass das geformte Modul nach dem Einführen der Wärmeabführlage und von Schmiermittel zwischen dem geformten Modul und der Wärmesenke montiert wird, um Wärmeabführung und Isolierung sicherzustellen, jedoch kann die Wärmeabführlage zu nahe an dem Leiterrahmen angeordnet werden und einstückig damit unter Verwendung von Harz geformt werden.
  • Hier können eine Wärmeableitungslage, die aus einer auf Epoxidharz basierenden Isolationsschicht ausgebildet ist, die beispielsweise mit einem thermisch leitenden anorganischen Füllmaterial gefüllt ist, und eine Kupferfolienlage zum Halten der Isolationsschicht und zum Übertragen von Wärme an die Wärmesenkenoberfläche verwendet werden. Durch Anordnen der Harzoberfläche der Lage in der Nähe des Leiterrahmens des geformten Moduls und durch einstückiges Formen der beiden Komponenten, kontaktiert die Epoxidharzoberfläche den Leiterrahmen auf enge Weise, um sowohl eine thermisch leitende Funktion als auch eine isolierende Funktion umzusetzen.
  • 8 ist eine Ansicht, die eine Isolierungsstruktur des geformten Moduls gemäß einer vierten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt. Es sei angemerkt, dass 8 eine Schnittansicht ist, die eine einstückig geformte Isolierlage, die in dem geformten Modul vorgesehen ist, zeigt. In 8 haftet eine Isolationsschichtseite einer Isolationslage 802 an einer Rückseite eines Leiterrahmens 801, an dem ein Element angeordnet und angelötet ist oder in anderen Worten, eine Wärmeableitungsoberflächenseite, die die Wärmesenke kontaktiert, wodurch das Formen an dem Leiterrahmen 801 unter Verwendung von Epoxidharz 803 durchgeführt wird.
  • Das Material der isolierenden Schicht 802 kann in jeder gewünschten Form ausgebildet sein und daher kann die isolierende Lage 802 gestaltet werden, um die gesamte wärmeableitende Oberfläche des Moduls abzudecken. Ferner wird ein äußerer Umfangsendabschnitt der isolierenden Lage einstückig mit dem Harz an einer vorderen Oberflächenseite verwendend Epoxidharz 804 einstückig geformt, um die Anschlüsse des Leiterrahmens zu überspannen und somit wird die isolierende Lage 802 heruntergehalten.
  • Als ein Ergebnis wird eine Funktion zum Verhindern, dass die isolierende Lage 802 sich aufrollt oder von dem Leiterrahmen 801 abschält, erhalten. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Epoxidharzeinfriedung an dem äußeren Umfangsabschnitt der Wärmeableitungsoberfläche vorgesehen und daher kann durch Vorsehen der Wärmesenkenseitenkontaktoberfläche mit einer vorstehenden Struktur, die gegen die Wärmeableitungsoberfläche des Moduls gedrückt wird, das Modul einfach positioniert werden.
  • In dem so vervollständigten, geformten Modul kann die Wärmeableitungsoberfläche geformt werden, um die isolierende Lage 102 über die gesamte Wärmeableitungskonktaktoberfläche hinweg zu überlappen und daher kann die thermische Leitfähigkeit effektiver durchgeführt werden. Ferner wird die Wärmeabführlage im Modulstadium abgeschlossen und daher kann das Modul mit einem Umrichtermodul einfach montiert werden, wodurch die Produktherstellung vereinfacht wird.
  • Gemäß der vierten Ausführungsform werden, wie oben beschrieben, der Leiterrahmen des geformten Moduls und eine Wärmeabführlage aufweisend die thermische Leitfähigkeit und Isolationsfunktion einstückig mit Harz geformt.
  • Hier kann die Wärmeabführlage einfach ausgebildet werden und daher kann sogar wenn das Modul ausgebildet ist, um eine gewünschte äußere Form aufzuweisen, wie beispielsweise eine gekrümmte Form oder eine polygonale Form, die Wärmeabführlage mit einer entsprechenden Form gestaltet werden und einfach einstückig mit dem Leiterrahmen ausgebildet werden. Folglich werden Isolations- und Wärmeabführfunktionen in Bezug auf einen Modulbefestigungsabschnitt (die Wärmesenke) aufrechterhalten und ein hoher Grad an Formgestaltungsfreiheit wird in Bezug auf das Modul sichergestellt. Als ein Ergebnis kann ein Modul mit großer Dichter in einem Produkt angeordnet werden.

Claims (5)

  1. Geformtes Modul zur Verwendung bei Leistungselektronik aufweisend ein eingebautes Halbleiterelement, das verwendet wird, um einen großen Betrag Leistung bereitzustellen und zu steuern, wobei das Modul aufweist: zumindest ein Halbleiterschaltelement, das in dem Modul vorgesehen ist; und einen Leiterrahmen, der Wärme von dem Schaltelement abführt und elektrisch ein Element, das in dem Modul angeordnet ist, mit einem externen Schaltkreis verbindet, wobei zumindest ein Ende des Moduls in einer gekrümmten Form oder einer polygonalen Form geformt ist.
  2. Geformtes Modul nach Anspruch 1, aufweisend eine Vielzahl Elektrodenanschlüsse, die aus dem geformten äußeren Umfangsabschnitt herausgeführt werden, der durch Formen des Moduls in einer gekrümmten Form oder einer polygonalen Form ausgebildet wird, wobei eine Biegebearbeitung, die an einem Biegepunkt von jedem der Elektrodenanschlüsse umgesetzt wird, entlang einer Linie durchgeführt wird, die orthogonal zu einer vorgegebenen Achse innerhalb einer Modulebene ist, und wobei eine Spitze des gebogenen Elektrodenanschlusses verwendet wird, um das Modul mit dem externen Schaltkreis zu verbinden.
  3. Geformtes Modul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine gekrümmte oder polygonale Ausnehmung, die in Richtung einer Innenseite des Moduls ausgenommen ist, an zumindest einer Seite des Moduls ausgebildet ist, die an den geformten, äußeren Umfangsabschnitt angrenzt, der durch Formen des Moduls zu einer gekrümmten Form oder einer polygonalen Form erhalten wird.
  4. Geformtes Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Leiterrahmen und eine Wärmeabführlage aufweisend Wärmeleit- und Isolierfunktionen einstückig mit Harz geformt werden.
  5. Geformtes Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Leistungsversorgung und ein Erdanschluss herausgeführt werden aus und angeordnet sind in einem inneren Umfangsabschnitt in der Nähe einer Welle einer rotierenden elektrischen Maschine, wobei ein Umrichteranschluss herausgeführt wird aus und angeordnet ist in einem geformten äußeren Umfangsabschnitt, der durch Formen des Moduls in einer gekrümmten oder einer polygonalen Form erhalten wird, wobei der geformte äußere Umfangsabschnitt der rotierenden elektrischen Maschine gegenüberliegt, und wobei zumindest ein Paar Schaltelemente zum Betätigen eines komplementären Umrichters in dem Modul ausgebildet ist.
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