DE19939933A1 - Leistungs-Moduleinheit - Google Patents
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Abstract
Leistungs-Moduleinheit für einen Motor, bei dem die Moduleinheit zur Aufnahme sowohl der Hochleistungsbauteile, die zur Ansteuerung der Phasenwicklungen des Motors erforderlich sind, als auch der Steuerelektronik ausgebildet ist, die zur Steuerung der Betriebsweise der Hochleistungsbauteile erforderlich ist. Die Bauteile sind derart angeordnet, daß die von den Hochleistungsbauteilen erzeugte thermische Energie von der Steuerelektronik fort zur nachfolgenden Ableitung gelenkt wird. Ein isoliertes Metallsubstrat wird als das Basisteil der Moduleinheit verwendet, um die thermische Energie abzuleiten. Die Bauteile der Moduleinheit können leicht durch die Verwendung von lötfreien federnden Verbindungen von der Steuerelektronik zu den anderen Bauteilen in der Moduleinheit zusammengebaut werden. Die Moduleinheit umfaßt ein Basisteil, ein mit dem Basisteil gekoppeltes Leistungsgehäuse und eine Leiterplatte, die in einer inneren Kammer des Leistungsgehäuses angeordnet ist. Das Leistungsgehäuse weist eine Mehrzahl von Wänden, die die innenliegende Kammer bilden, sowie zumindest einen leitenden Bereich auf. Zumindest ein elektronisches Bauteil ist an dem leitenden Bereich befestigt.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Leistungs-Moduleinheiten der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 genannten Art und insbesondere auf eine integrierte Leistungs-
Gehäusebaugruppe zur Motorsteuerung unter Verwendung interner Anschlüsse zur
Wärmeableitung.
Leistungs-Moduleinheiten, die Halbleiterbauteile verwenden, werden in vielen unter
schiedlichen Anwendungen verwendet. Eine bevorzugte Anwendung von Leistungs-
Moduleinheiten besteht in der Ansteuerung und Kontrolle von Motoren. Diese
Leistungs-Moduleinheiten verwenden in vielen Fällen Feldeffekttransistoren (FET), ins
besondere Leistungs-Metalloxyd-Feldeffekttransistoren (MOSFET) zur Lieferung von
Leistung zur Speisung des Motors auf der Grundlage von Signalen, die von einer mit
niedriger Leistung arbeitenden Steuerschaltung empfangen werden. Obwohl Feldeffekt
transistoren in der Lage sind, die hohen Ströme zu schalten, die zur Speisung eines lei
stungsfähigen Motors erforderlich sind, wie er beispielsweise in Kraftfahrzeug-
Servolenkungsmechanismen verwendet wird, erzeugen sie auch eine erhebliche
Menge an thermischer Energie, wenn sie diese großen Ströme schalten.
Es werden in vielen Fällen große Kühlkörper verwendet, um die von den Feldeffekttran
sistoren erzeugte thermische Energie abzuleiten. Dies führt zu großen Modul-
Gehäusegrößen und zu komplizierten Halbleiter-Befestigungsanordnungen. Weiterhin
kann die Anordnung der empfindlichen Niedrigleistungs-Steuerschaltungen in der Nähe
von Leistungshalbleitern die Zuverlässigkeit der Moduleinheit verringern und dessen
Betriebsweise beeinflussen, und zwar aufgrund der schädlichen thermischen Energie,
die von den Feldeffekttransistoren abgestrahlt wird.
Diese Modulgehäuse-Anforderungen können besonders bei Kraftfahrzeuganwendun
gen schwierig zu erfüllen sein, bei denen die Leistungs-Moduleinheit klein sein muß und
an der gleichen Stelle wie der angesteuerte Motor angeordnet werden muß. Beispiels
weise wird das Ansteuermodul für einen Elektromotor in der Servolenkung in optimaler
Weise direkt an den mechanischen Servolenkungs-Bauteilen angeordnet, die er
ansteuert. Das Vorhandensein von großen Kühlkörpern oder einer aufwendigen Ver
drahtung und Verkabelung zwischen den Leistungshalbleitern und der Modul-
Steuerschaltung ist unerwünscht, weil hierdurch eine wirkungsvolle Ausnutzung der
Leistungs-Halbleiterbauteile zur Steuerung eines Elektromotors verhindert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leistungs-Halbleiter-Moduleinheit der
eingangs genannten Art zu schaffen, die kompakt ist und in der Lage ist, ein hohes
Drehmoment liefernde Elektromotoren anzusteuern.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird eine Leistungs-Halbleiter-Moduleinheit geschaffen, die kompakt
ist, die in der Lage ist, Elektromotoren mit hohem Drehmoment anzusteuern, unter Ein
schluß von Motoren mit geschalteter Reluktanz, und bei der die Steuerschaltung in der
Moduleinheit integriert ist. Die Leistungs-Erd- und Motoranschlüsse erstrecken sich
durch das Gehäuse der Moduleinheit derart, daß die Hochleistungs-Halbleiterbauteile
direkt auf diesen befestigt sind. Die Hochleistungs-Halbleiterbauteile sind ohne die Ver
wendung von Drähten oder Kabeln miteinander verbunden.
Die Leistungs-Moduleinheit der vorliegenden Erfindung ist so ausgebildet, daß sie die
thermische Energie von der Steuerelektronik fort ableitet, wobei die von den
Hochleistungs-Halbleiterbauteilen erzeugte thermische Energie auf ein metallisches
Substrat-Basisteil übertragen wird, so daß sich eine zuverlässige Moduleinheit ergibt,
die außerdem kompakt ist, so daß sie in der Nähe des Motors befestigt werden kann,
den sie steuert.
Die vorliegende Erfindung ergibt eine elektronische Moduleinheit, die ein Basisteil und
ein Leistungsgehäuse aufweist, das mit dem Basisteil verbunden ist. Das Leistungsge
häuse weist eine Mehrzahl von eine innere Kammer bildenden Wänden und zumindest
einen leitenden Bereich auf. Zumindest ein elektronisches Bauteil ist auf dem zumin
dest einen leitenden Bereich befestigt. Eine Leiterplatte ist innerhalb der inneren Kam
mer des Leistungsgehäuses angeordnet.
Die vorliegende Erfindung ergibt weiterhin eine isolierte Metallsubstrat-Platte für eine
elektronische Moduleinheit, bei der die Platte ein thermisch leitendes metallisches Sub
strat aufweist. Eine erste Isolierschicht ist an dem metallischen Substrat befestigt, wobei
die erste Isolierschicht im wesentlichen das metallische Substrat bedeckt. Zumindest
zwei leitende Bereiche sind an der Isolierschicht befestigt, wobei die zumindest zwei lei
tenden Bereiche geätzt werden, um eine Mehrzahl von diskreten Bereichen zu bilden.
Eine zweite Isolierschicht ist zwischen den zumindest zwei leitenden Bereichen ange
ordnet, und eine Lötmaske ist auf dem zumindest einen leitenden Bereich angeordnet.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung der Erfindung ersichtlich, die sich auf die beigefügten Zeichnungen
bezieht.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer zusammengebauten Leistungs-Moduleinheit
gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine Vorderansicht einer zusammengebauten Leistungs-Moduleinheit gemäß
der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 eine Seitenansicht einer zusammengebauten Leistungs-Modulheinheit gemäß
der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht der zusammengebauten
Leistungs-Modulheinheit gemäß den Fig. 1-3,
Fig. 5 eine Unteransicht eines Leistungsgehäuses, wie es in einer Leistungs-
Modulheinheit gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
Fig. 6 eine Draufsicht auf ein Leistungsgehäuse, wie es in einer Leistungs-
Modulheinheit gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
Fig. 7 eine Draufsicht auf eine Basisplatte, die bei einer Leistungs-Moduleinheit
gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
Fig. 8 eine Schnittansicht eines Teils der Basisplatte nach Fig. 6,
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht einer Leistungs-Moduleinheit gemäß der vorliegen
den Erfindung, die eine Basisplatte, ein Leistungsgehäuse und Hochleistungs-
Halbleiterbauteile zeigt, die an dem Leistungsgehäuse befestigt sind,
Fig. 10 ein Schaltbild, das eine Hochleistungsschaltung für einen 4-Phasen-Wandler
für einen geschalteten Reluktanzmotor unter Verwendung der in Fig. 9 gezeigten Bau
teile zeigt.
Zur Erläuterung der Erfindung ist in den Zeichnungen eine Ausführungsform gezeigt,
die derzeit bevorzugt wird, wobei es jedoch verständlich ist, daß die Erfindung nicht auf
die genaue Anordnung und Ausführungsform beschränkt ist, wie sie dargestellt ist.
In den Figuren, in denen sich gleiche Bezugsziffern auf gleiche Elemente beziehen, zei
gen die Fig. 1, 2 und 3 eine perspektivische Ansicht, eine Vorderansicht bzw. eine
Seitenansicht einer zusammengebauten Moduleinheit 2 gemäß der vorliegenden Erfin
dung. Die Leistungs-Moduleinheit 2 besteht aus drei Haupt-Teilbaugruppen, nämlich
einem Leistungsgehäuse 4, einer Basisplatte 6 und einer Leiterplatte 8. Wie dies
gezeigt ist, ist das Leistungsgehäuse 4 auf der Basisplatte 6 befestigt, und die Leiter
platte 8 ist in den Hohlraum in dem Leistungsgehäuse 4 eingesetzt. Jede dieser Teil
baugruppen wird weiter unten ausführlich erläutert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Leistungs-Moduleinheit 2 in einer elek
trisch angetriebenen Kraftfahrzeug-Senrolenkungsanwendung verwendet, bei der die
elektrischen Bauteile einen 4-Phasen-Wandler für einen geschalteten Reluktanzmotor
bilden. Entsprechend werden Halbleiterbauteile, wie beispielsweise Leistungs-
MOSFET-Bauteile verwendet, um eine Gleichspannungs-Eingangsleistungsquelle in
eine geeignete Wechselspannungs-Ausgangsleistung zur Ansteuerung des Motors
umzuwandeln. Es ist weiterhin vorgesehen, daß die Leistungs-Moduleinheit gemäß der
vorliegenden Erfindung in einfacher Weise zur Verwendung als Wandler für einen bür
stenlosen Dreiphasen-Gleichstrommotor angepaßt werden kann.
Das Leistungsgehäuse 4 schließt Eingangsleistungsanschlüsse 10a, 10b und 10c ein,
die vorzugsweise zum Empfang von Gleichspannungs-Eingangsleistung von einer
(nicht gezeigten) äußeren Quelle ausgebildet sind. Beispielsweise ist der Anschluß 10a
ein positiver Spannungsanschluß, der Anschluß 10b ist ein negativer Spannungsan
schluß und der Anschluß 10c ist ein Fahrgestell-Erdanschluß. Das Leistungsgehäuse 4
schließt weiterhin Motor-Phasenanschlüsse 12a, 12b, 12c, 12d, 12e und 12f ein, die
vorzugsweise zur Schaffung einer elektrischen Verbindung von der Leistungs-
Moduleinheit 2 zu den verschiedenen Phasenwicklungen eines geschalteten 4-Phasen-
Reluktanzmotors ausgebildet sind, den die Leistungs-Moduleinheit steuern soll. Es sei
darauf hingewiesen, daß die Motor-Phasenanschlüsse 12a-12f einstückig mit dem Lei
stungsgehäuse 4 abgeformt sind. Eine bevorzugte Schaltung für den elektronischen
Leistungsabschnitt für die Leistungs-Moduleinheit 2 wird weiter unten ausführlicher
beschrieben.
Die Leiterplatte 8 ergibt die erforderlichen Niedrigleistungs-Steuerschaltungen zur
Ansteuerung der Hochleistungs-Steuergeräteelektronik, wie z. B. von hohe Ströme füh
renden Leistungs-MOSFET-Bauteilen und Dioden. Die Niedrigleistungs-Steuer
schaltung liefert typischerweise die Gate-Ansteuerspannung für die Hochleistungs-
MOSFET-Halbleiter. Die einzelnen Niedrigleistungs-Schaltungsbauteile sind vorzugs
weise auf der Oberseite 14 der Leiterplatte 8 befestigt. Eine Steckverbindung 16 ist an
der Leiterplatte 8 befestigt, um externe Verbindungen an die Niedrigleistungs-Schaltung
zu schaffen.
Eine elektrische Verbindung zwischen der Niedrigleistungs-Schaltung auf der Leiterplat
te 8 und den Hochleistungs-Bauteilen 18, die auf dem Leistungsgehäuse 4 befestigt
sind, wie dies weiter unten erläutert wird, wird mit Hilfe von S-förmigen Anschlußstiftver
bindern 20 erreicht. Obwohl in Fig. 3 lediglich zwei derartige Verbinder gezeigt sind,
sei darauf hingewiesen, daß zusätzliche Verbinder verwendet werden können, wie dies
erforderlich ist. Obwohl die Verbinder 20 so gezeigt sind, als ob sie vorzugsweise S-
förmig sind, können diese Verbinder irgendeine Form aufweisen, sofern sie einen elasti
schen gelöteten oder Drahtkontaktierungs-Anschluß zwischen der Leiterplatte 8 und
dem Leistungsgehäuse 4 ergeben. Wie dies gezeigt ist, ergeben die S-förmigen Stift
verbinder 20 eine federnde elastische Verbindung zwischen der Leiterplatte 8 und dem
Leistungsgehäuse 4, derart, daß durch die Befestigung der Leiterplatte 8 in dem Hohl
raum in dem Leistungsgehäuse 4 die S-förmigen Stiftverbindungen 20 direkt mit einer
metallischen Lasche 20 auf dem Leistungsgehäuse 4 in Kontakt kommen oder direkt
mit einem Anschlußkissenbereich auf der Basisplatte 6 in Kontakt kommen.
Die Verwendung der S-förmigen Stiftverbinder 20 vermeidet die Notwendigkeit der Ver
wendung einer an einem Rand angeordneten Reihe oder von Reihen von Verbindungs
stiften. Verbindungsstifte, die in Form einer Kantensteckverbindung angeordnet sind,
erfordern, daß die zu anderen Modulbauteilen, wie z. B. dem Leistungsgehäuse 4 oder
der Grundplatte 6 zu überführenden Signale zu der gleichen allgemeinen Position auf
der Leiterplatte geführt werden. Hierdurch werden unnötig lange Signalpfade eingeführt
und die Empfindlichkeit gegenüber Störungen wird vergrößert. Im Gegensatz hierzu
ermöglicht es die Verwendung der S-Stiftverbinder 20, daß Signale auf der Leiterplatte
8 direkt mit dem Leistungsgehäuse 4 oder der Basisplatte 6 dadurch verbunden wer
den, daß jede Verbindung unabhängig von jeder anderen gemacht wird. Dies heißt mit
anderen Worten, daß es die S-Stiftverbinder 20 ermöglichen, daß ein mit einem Modul
bauteil zu verbindendes Signal an irgendeinem geeigneten Punkt in dem Signalpfad
angeordnet werden kann. Hierdurch wird die Notwendigkeit der Einführung einer
zusätzlichen Signal-Leiterbahnlänge vermieden und es ergibt sich eine bessere Störun
empfindlichkeit für die Leistungs-Moduleinheit 2.
Die Leistungs-Moduleinheit 2 kann über Befestigungslaschen 24 befestigt werden, die
zur Aufnahme geeigneter Befestigungselemente, wie z. B. Schrauben, ausgebildet sind,
wie dies in der Technik gut bekannt ist. Die Leistungs-Moduleinheit 2 wird vorzugsweise
über die Basisplatte 6 an einem Kühlkörper befestigt, so daß die von den Hochlei
stungsbauteilen erzeugte Wärme abgeführt wird. Wie dies weiter unten ausführlich
erläutert wird, ergibt die Basisplatte 6 eine thermische Verbindungsstrecke für die Hoch
leistungsbauteile, so daß die Basisplatte 6 vorzugsweise eine isolierte Metallsubstrat-
(IMS-)Struktur ist, die ein dickes Kupfer- oder Aluminiumsubstrat aufweist, das mit
einem relativ dünnen Isolierfilm bedeckt ist, auf dem eine dünne, aus Kupfer oder ande
rem leitenden Material bestehende lötbare Oberfläche angeordnet ist.
Fig. 4 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht der Leistungs-Moduleinheit 2 gemäß
der vorliegenden Erfindung. Das Leistungsgehäuse 4, die Basisplatte 6 und die Leiter
platte 8 sind zur Schaffung einer kompakten Baugruppe und zur wirkungsvollen Ausnut
zung der zur Verfügung stehenden Oberfläche angeordnet.
Das Leistungsgehäuse 4 wird mit der Basisplatte 6 durch Einsetzen von Befestigungs
zapfen 26 in Befestigungsbohrungen 28 ausgerichtet und gekoppelt. Das Leistungsge
häuse 4 ist so abgeformt, daß es leitende Bereiche 30 einschließt, auf denen Hoch
leistungs-Halbleiterbauteile 18 beispielsweise durch Löten, mit Hilfe eines leitenden
Epoxy-Materials oder dergleichen befestigt sind. Wenn das Leistungsgehäuse 4 an der
Basisplatte 6 befestigt ist, sind die leitenden Bereiche 30 über jeweiligen Kontaktbahn-
Bereichen angeordnet und mit diesen durch Löten oder durch eine leitende Klebever
bindung verbunden. Dies ergibt eine elektrische Verbindung zwischen den
Hochleistungs-Halbleiterbauteilen 18 und der Basisplatte 6.
Die Verbindung zwischen den leitenden Bereichen 30 und den Kontaktbereichen 32
erfüllt zwei nützliche Funktionen. Zunächst ergibt sich eine elektrische Verbindung zur
Basisplatte, was die Verteilung von Leistungs- und Erdverbindungen und Hochlei
stungssignalen zwischen den verschiedenen Hochleistungs-Halbleiterbauteilen 18
ermöglicht. Zweitens wird ein thermisch leitender Pfad von dem Hochleistungs-
Halbleiterbauteilen 18 zur Basisplatte 6 geschaffen. Dieser thermisch leitende Pfad
ermöglicht die Ableitung thermischer Energie von den Hochleistungs-Halbleiterbauteilen
18 und die Übertragung der thermischen Energie auf einen (nicht gezeigten) Kühlkör
per, der mit der Basisplatte 6 gekoppelt ist.
Die Hochleistungsbauteile 18 sind auf der Oberseite der leitenden Bereiche 30 inner
halb des Leistungsgehäuses 4 befestigt, während die Unterseite der leitenden Bereiche
30 mit den Kontaktbereichen 32 auf der Basisplatte 6 in Kontakt steht.
Die Leiterplatte 8 ist so ausgebildet, daß sie in das Leistungsgehäuse 4 derart paßt,
daß eine Ausrichtkerbe 34 auf der Leiterplatte 8 mit einer Ausrichtlasche 36 auf dem
Leistungsgehäuse 4 zusammenpaßt. Hierdurch wird eine richtige Ausrichtung der Lei
terplatte 8 sichergestellt, wodurch der Zusammenbau der Leistungs-Moduleinheit ver
einfacht wird. Beim Einsetzen in das Leistungsgehäuse 4 kommen die S-förmigen Stift
verbinder 20 mit einem oder mehreren leitenden Bereichen 30 und/oder einem oder
mehreren jeweiligen Anschlußkissen 38 auf der Basisplatte 6 in Eingriff. Dies ermöglicht
die Herstellung elektrischer Verbindungen zwischen der Leiterplatte 8 und der Basis
platte 6, wobei die Herstellung vereinfacht wird.
Während der Herstellung kann die Leiterplatte 8 mit ihren zugehörigen Bauteilen
getrennt von den Hochleistungsbauteilen 18 und dem Leistungsgehäuse 4 zusammen
gebaut werden. Sobald das Leistungsgehäuse 4 und die Basisplatte 6 zusammenge
baut sind und alle Drahtkontaktierungen fertiggestellt sind, wie dies weiter unten erläu
tert wird, wird die Leiterplatte 8 in einfacher Weise mit dem Leistungsgehäuse 4 zusam
mengebaut. Nachteilige Auswirkungen von thermischer Energie auf die Leiterplatte 8
werden unter Verwendung der Konfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung ver
mieden. Die thermische Energie wird von den Hochleistungsbauteilen 18 zu einem an
der Basisplatte 6 angebrachten Kühlkörper in einer Richtung von der Leiterplatte 8 fort
übertragen.
Der innere Hohlraum, der von dem Leistungsgehäuse 4 und der Basisplatte 6 und der
(nicht gezeigten) Abdeckung gebildet wird, wird mit einem Vergußgel, wie z. B. einem
Silikonelastomer gefüllt.
Die Hochleistungsbauteile 18 schließen Leistungs-MOSFET-Bauteile Überbrückungswi
derstände, Schottky-Dioden und einen Kondensator ein, wie dies weiter unten erläutert
wird, wobei diese Bauteile dazu verwendet werden, um beispielsweise einen Wandler
für einen Motor mit geschalteter Reluktanz zu schaffen. Obwohl die Leistungs-
Moduleinheit der vorliegenden Erfindung bezüglich eines Wandlers für einen Motor mit
geschalteter Reluktanz beschrieben wird, ist es für den Fachmann ohne weiteres zu
erkennen, daß die Leistungs-Moduleinheit an irgendeine Konfiguration angepaßt wer
den kann, die Leistungs-Halbleiterbauteile und eine Niedrigleistungs-Steuerschaltung
verwendet.
Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Unteransicht bzw. eine Draufsicht des Leistungsgehäu
ses 4 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Fig. 5 und 6 zeigen die leitenden
Bereiche 30 mit weiteren Einzelheiten. Jeder der leitenden Bereiche 30 ist eine Verlän
gerung der Anschlüsse 10a-10c und der Motor-Phasenanschlüsse 12a-12f oder eines
mit Hinterschneidungen versehenen Abschnittes 40, der in den Kunststoff-Formteil-
Abschnitt 42 des Leistungsgehäuses 4 eingebettet ist. Im Fall der Anschlüsse 10a-10c
oder der Motor-Phasenanschlüsse 12a-12f erstrecken sich die leitenden Bereiche 30
durch das Kunststoff-Formteil 42 und sind an diesem festgelegt.
Fig. 5 zeigt die Unterseite 44 der leitenden Bereiche 30.
Fig. 6 zeigt die Oberseite 46 der leitenden Bereiche 30. Jeder der Anschlüsse 10a-10c
und der Motor-Phasenanschlüsse 12a-12f weist einen leitenden Bereich 30 auf, der
eine Unterseite 44 und eine Oberseite 46 aufweist. Wie dies weiter oben erläutert wur
de, sind die Hochleistungsbauteile 18 auf einer jeweiligen Oberseite 46 befestigt, wäh
rend die Unterseite 44 in elektrischem Kontakt mit einem jeweiligen Kontaktbereich 32
auf der Basisplatte 6 steht.
Die Verwendung von aneinander angrenzenden Anschlüssen 10a-10c und Motor-
Phasenanschlüssen 12a-12f, auf denen Hochleistungsbauteile 18 befestigt sind, verein
facht die Konstruktion und unterstützt die Wärmeverteilung und -ableitung.
Das Leistungsgehäuse 4 ist weiterhin mit durchgehenden Bohrungen 49 zur Aufnahme
einer geeigneten (nicht gezeigten) Abdeckung versehen.
Die Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf die Basisplatte 6 gemäß der vorliegenden Erfin
dung. Wie dies weiter oben erläutert wurde, ist die Basisplatte 6 vorzugsweise eine iso
lierte Metallsubstrat-(IMS-)Struktur und kann unter Verwendung bekannter Techniken
gebildet werden. Die Basisplatte 6 ist mit einem derartigen Muster versehen, daß sich
ein Massezugang an das Substrat 48 über eine Masse-Ätzung 50 ergibt. Eine derartige
IMS-Struktur ergibt eine gute thermische Leitfähigkeit von den Kontakmustertbereichen
32 durch das IMS zu dem Substrat 48. Das Substrat 48 ist vorzugsweise aus Alumini
um, und es ist vorzugsweise ungefähr 3 mm (0,125 Zoll) dick. Das metallische Substrat
stellt einen besseren Leiter für thermische Energie verglichen mit vielen anderen Mate
rialien dar, wie z. B. Kunststoff, Glas usw. Weiterhin schützt die Steifigkeit des metalli
schen Substrats die Moduleinheit gegenüber einem Brechen.
Das IMS ist mit einem derartigen Muster versehen, daß eine Vielzahl von elektrisch iso
lierten leitenden Bereichen gebildet wird. Diese leitenden Bereiche ermöglichen eine
Verteilung der positiven und negativen Leistungsverbindungen und der Phasenan
schlüsse, sie ermöglichen getrennte Gate-Anschlußkissen und unterstützen die Über
tragung von thermischer Energie durch das Substrat, ohne daß ein Kurzschluß zwi
schen den verschiedenen Bauteilen hervorgerufen wird. Obwohl eine IMS-Struktur
bevorzugt wird, können andere Basisplatten-Strukturen verwendet werden, wie z. B. Al-,
AlSiC- und/oder Cu-Basisplatten, die beispielsweise unter Verwendung eines Al2O3-
Flammsprühens isoliert werden können, oder direkt verbundene Kupfer- oder aus akti
vem Metall bestehende Messing-Substrate.
Fig. 8 zeigt eine Schnittansicht entlang des Schnittes 8-8 in Fig. 7. Die resultierende
Struktur, wie sie bei der vorliegende Erfindung verwendet wird, ist in Fig. 8 gezeigt.
Gemäß Fig. 8 ist eine erste Isolierschicht oder ein Polymer-Film 52 auf dem Substrat
48 angeordnet. Ein leitender Bereich 54 ist auf der ersten Isolierschicht 52 angeordnet,
und eine leitende Schicht 56 ist auf dem leitenden Bereich 54 angeordnet. Ein zweiter
Isolier- oder Polymer-Film 58 ist über der leitenden Schicht 56 angeordnet, und ein lei
tender Bereich 60 ist auf dem zweiten Isolierfilm 58 angeordnet. Die erste Isolierschicht
52 und die zweite Isolierschicht 58 weisen vorzugsweise eine Dicke von ungefähr 0,15
mm (0,006 Zoll) auf. Der leitende Bereich 54 wird derart hergestellt, daß wenn die Ver
tiefung 62 in die leitenden und isolierenden Bereiche 54, 56, 58 und 60 geätzt wird, der
leitende Bereich 54 plattiert werden kann, um sich quer durch die Vertiefung 62 zu
erstrecken und um eine Schicht oberhalb des leitenden Bereichs 60 zu bilden.
Eine Plattierungsschicht ist auf dem oberen verlängerten Teil des leitenden Teils 54
angeordnet. Ein geeignetes Plattierungsmaterial, wie z. B. eine Nickelplattierung, kann
verwendet werden, vorzugsweise mit einem Gold-Oberflächenüberzug. Der leitende
Bereich 54 ist vorzugsweise ungefähr 0,033 mm (0,0013 Zoll) bis ungefähr 0,038 mm
(0,0015 Zoll) dick, und er besteht vorzugsweise aus Kupfer. Die leitenden Bereiche 56
und 60 sind vorzugsweise ungefähr 0,06 mm (0,0024 Zoll) bis ungefähr 0,076 mm
(0,0030 Zoll) dick, und sie sind vorzugsweise aus Kupfer hergestellt. Schließlich wird
eine Lötmaske 66 auf die Plattierungsschicht 64 aufgebracht, soweit dies zweckmäßig
ist, um einen unerwünschten elektrischen Kontakt während des Bauteil-Lötvorganges
zu verhindern.
Ein Beispiel einer Leistungs-Moduleinheit, die die Hochleistungsbauteile verwendet, die
zur Herstellung eines Wandlers für einen 4-Phasen-Motor mit geschalteter Reluktanz
erforderlich sind, und die auf den leitenden Bereichen 30 befestigt sind, ist in Fig. 9
gezeigt. Zunächst sei darauf hingewiesen, daß es wünschenswert ist, einen Kondensa
tor vorzusehen, der betriebsmäßig zwischen den +BUS- und den -BUS-Anschlüssen in
einer Leistungsschaltung angeschaltet ist. Gemäß der Erfindung wird ein Kondensator
68 betriebsmäßig beispielsweise durch Löten zwischen dem positiven Anschluß 10a
und dem negativen Anschluß 10b angeschaltet. Der Kondensator 68 liefert eine örtliche
Energie, die in der Lage ist, relativ große Stromimpulse in die Leistungsschaltung zu lie
fern.
Wie dies in Fig. 9 gezeigt ist, ist der Kondensator 68 in vorteilhafter Weise auf passen
den leitenden Bereichen 30 befestigt, so daß er keinen wertvollen Oberflächenbereich
verbraucht. Die Befestigung des Kondensators 68 auf diese Weise ergibt immer noch
ein ausgezeichnetes elektrisches Betriebsverhalten, weil er integral innerhalb der Lei
stungsschaltung in enger elektrischer Nähe zu den anderen Schaltungsbauteilen ange
ordnet ist.
Weiterhin können gemäß der Erfindung Überbrückungswiderstände 70a und 70b inner
halb des Leistungsgehäuses 4 angeordnet sein. In vorteilhafter Weise sind die Über
brückungswiderstände 70a und 70b innerhalb der Leistungsschaltung in elektrischer
Nähe zu den Hochleistungsbauteilen 18 derart angeordnet, daß wertvoller
Oberflächenbereich der Grundplatte eingespart wird. Die Überbrückungswiderstände
70a und 70b weisen vorzugsweise einen Widerstandswert von 1 mΩ auf.
Fig. 10 zeigt ein Schaltbild des als Beispiel verwendetem 4-Phasen-Wandlers für
einen geschalteten Reluktanzmotor gemäß Fig. 9. Wie dies in den Fig. 9 und 10
gezeigt ist, stellt der Motor-Phasenanschluß 12a den Eingang an die Motorphase A und
die Motorphase C dar. Die Motor-Phasenanschlüsse 12b und 12c stellen die jeweiligen
Ausgänge der Motorphase A und der Motorphase C dar. In ähnlicher Weise stellt der
Motor-Phasenanschluß 12d den Eingang an die Motorphase B und die Motorphase D
dar, während die Motor-Phasenanschlüsse 12e und 12f die jeweiligen Ausgänge der
Motorphase B und der Motorphase D darstellen.
Der Kondensator 68 und die Überbrückungswiderstände 70a und 70b sind ebenfalls an
ihren jeweiligen Anordnungspunkten innerhalb der Schaltung gezeigt.
Wie dies in Fig. 9 gezeigt ist, ist ein Thermistor 72 an der Basisplatte 6 befestigt, um
die Temperatur der Leistungs-Moduleinheit 2 zu überwachen. Der Thermistor 72 stellt
kein integrales Bauteil der Motor-Wandlerschaltung dar, so daß er in Fig. 10 nicht
gezeigt ist.
Wie dies in den Fig. 9 und 10 gezeigt ist, sind die Eingangs-MOSFET-Bauteile 74a
und 74b auf einem leitenden Bereich 30 befestigt und mit einem anderen leitenden
Bereich 30 über eine Vielzahl von Drahtkontaktierungen 76 verbunden. Die Drahtkon
taktierungen 76, die zur Verbindung eines Anschlusses eines Halbleiterbauteils 60 mit
einem leitenden Bereich 30 oder einem Gate-Anschlußkissen 78 auf der Basisplatte 6
verwendet werden, können unter Verwendung irgendeiner bekannten Drahtkontaktie
rungstechnik hergestellt werden. Die Eingangs-MOSFET-Bauteile 74a und 74b sind
vorzugsweise 30 Volt-N-Kanal-MOSFET-Bauteile mit der Halbleiterplättchen-Größe 4.6.
Wie der Begriff hier verwendet wird, bezieht sich die Halbleiterplättchen-Größe der
MOSFET-Bauteile 74a und 74 sowie aller anderen Halbleiterbauteile auf die in der
Industrie genormten Halbleiterplättchen-Größen.
Die Ausgangs-MOSFET-Bauteile 80a, 80b, 80c und 80d sind zwischen ihren jeweiligen
Motor-Phasenanschlüssen 12b, 12c, 12e und 12f und den -BUS-Anschluß 10b ange
schaltet. Die Gate-Elektroden der Ausgangs-MOSFET-Bauteile 80a-80d sind über
Drahtkontaktierungsverbindungen mit einem Gate-Anschlußkissen 78 zur Verbindung
mit der Steuerschaltungs-Leiterplatte 8 verbunden. Die Verbindung zwischen den Gate-
Anschlußkissen 78 und der Leiterplatte 8 erfolgt in der weiter oben erläuterten Weise
über S-förmige Stiftverbinder 20. Die Ausgangs-MOSFET-Bauteile 80a-80d sind vor
zugsweise 30-Volt-, N-Kanal-Leistungs-MOSFET-Bauteile der Halbleiterplättchen-
Größe 4.
Eine Wechselspannungs-Phasendiode 82, die aus zwei parallelen getrennten Halblei
terplättchen 82a und 82b besteht, ist auf dem leitenden Bereich 30 angeordnet und
befindet sich in der Motor-Steuerschaltung derart, daß sie an ihrer Kathode mit dem
Drain-Anschluß des Eingangs-MOSFET 74a und an ihrer Anode mit dem -BUS-
Eingangsanschluß 10b verbunden ist. In ähnlicher Weise besteht eine B-/D-
Phasendiode 84 aus zwei getrennten Dioden-Halbleiterplättchen 84a und 84b, und sie
ist innerhalb der Motor-Steuerschaltung mit ihrer Kathode mit dem Drain-Anschluß des
Eingangs-MOSFET 74b und an ihrer Anode mit dem -BUS-Anschluß 10b verbunden.
Jedes der Dioden-Halbleiterplättchens 82a, 82b, 84a und 84b ist vorzugsweise ein 45-
Volt-Schottky-Bauteil mit der Halbleiterplättchen-Größe 2.
Schließlich sind Dioden 86a-86d an einem leitenden Bereich 30 befestigt und innerhalb
der Motor-Steuerschaltung derart angeordnet, daß jede jeweilige Diode 86a, 86b, 86c
und 86d an ihrer Kathode mit dem +BUS-Anschluß 10a und mit ihrer Anode mit einem
jeweiligen Motor-Phasenanschluß 12b, 12c, 12e bzw. 12f verbunden ist. Die Dioden
86a, 86b, 86c und 86d sind vorzugsweise 45 Volt-Schottky-Bauteile mit der
Halbleiterplättchen-Größe 2.
Ein Betrieb des Wandlers für einen Motor mit geschalteter Reluktanz wird nunmehr
anhand der Fig. 10 beschrieben. Es sei weiterhin bemerkt, daß die Betriebsweise
jeder einzelnen Phase der 4-Phasen-Motorkonfiguration in der gleichen Weise erfolgt.
Daher wird lediglich die Betriebsweise der Phase A hier beschrieben.
Der Betrieb des Wandlers für den mit geschalteter Reluktanz arbeitenden Motor umfaßt
drei getrennte Vorgänge, nämlich einen Magnetisierungsvorgang, einen Freilaufvor
gang und einen Vorgang mit erzwungener Entmagnetisierung. Die Magnetisierung, der
Freilaufvorgang und die Entmagnetisierung werden durch geeignetes Ein- und Aus
schalten der Leistungs-MOSFET-Bauteile bewirkt. Während der Magnetisierung einer
Phase zum Hervorrufen einer bestimmten Motorfunktion werden der Eingangs-
MOSFET 74a und der Ausgangs-MOSFET 80a durch Anlegen einer geeigneten Gate-
/Source-Spannung eingeschaltet. Das Einschalten der MOSFET-Bauteile 74a und 80a
ruft einen Strompfad von dem +BUS-Anschluß 10a durch den Überbrückungswider
stand 70a, die A-Phasenwicklung des Motors und durch den -BUS-Anschluß 10b her
vor.
Während des gut bekannten Freilauf-Schaltungsbetriebs bleibt der Ausgangs-MOSFET
80a eingeschaltet, während der Eingangs-MOSFET 74a abgeschaltet wird. Dies führt
zum Fließen eines Freilaufstroms während des Zusammenbruchs des Feldes der A-
Phasenwicklung des Motors durch den Überbrückungswiderstand 70a, die A-
Phaseneingangdiode 82 und durch den Ausgangs-MOSFET 80a.
Der abschließende Vorgang ist der Vorgang mit erzwungener Entmagnetisierung, bei
dem irgendwelche verbleibende magnetische Energie in den Kondensator 68 überführt
wird. Während des Vorganges mit erzwungener Entmagnetisierung sind der Eingangs-
MOSFET 74a und der Ausgangs-MOSFET 80a abgeschaltet. Dies führt dazu, daß
Strom von dem -BUS-Anschluß 10b durch die Eingangsdiode 82, durch den Überbrüc
kungswiderstand 70a und durch die Phase A des Motors mit geschalteter Reluktanz
fließt, wodurch dessen Strompfad durch die Ausgangsdiode 86a vervollständigt wird.
Die Kombination der Magnetisierungs-, Freilauf- und erzwungenen Entmagnetisierungs
vorgänge in jeder der vier Motorphasen ermöglicht es der Leistungs-Moduleinheit 2, in
wirkungsvoller Weise den Betrieb eines komplizierten Motors zu steuern, beispielsweise
eines elektrischen Servolenkungsmechanismus bei einer Kraftfahrzeuganwendung. Die
kompakte Größe und die Verlustwärme-Ableiteigenschaften der Leistungs-Moduleinheit
2 ermöglichen es, daß sie auf oder in der Nähe des Servolenkungsmechanismus ohne
Gefahr von Schäden an den empfindlichen Steuerelektroniken auf der Leiterplatte 8
befestigt werden kann.
Damit ergibt die Leistungs-Moduleinheit der vorliegenden Erfindung ein kompaktes,
jedoch leistungsfähiges Bauteil, das die elektronischen Hochleitungsbauteile und die
Niedrigleistungs-Steuerschaltungen integriert, die zur Steuerung des Modul-Betriebes
erforderlich sind. Die Leistungs-Moduleinheit der vorliegenden Erfindung ist so ausge
bildet, daß die thermische Energie von den Hochleistungsbauteilen 18 in wirkungsvoller
Weise über die Basisplatte 6 zur Ableitung von der Leiterplatte 8 übertragen wird, wobei
ein extern angebrachter Kühlkörper oder irgendein anderes bekanntes Wärmeablei
tungsverfahren verwendet wird.
Die Anordnung des Leistungsgehäuses 4, der Basisplatte 6 und der Leiterplatte 8 in
Verbindung mit den S-förmigen Stiftverbindern 20 ermöglicht es, daß die Leistungs-
Moduleinheit 2 leicht zusammenbaubar ist und die Ausnutzung der zur Verfügung ste
henden Oberfläche zu einem Maximum gemacht wird, während die Gesamtgröße der
Moduleinheit zu einem Minimum gemacht wird. Dies wird weiterhin durch die Verwen
dung einer Basisplatte 6 erreicht, die ein sehr stark thermisch leitendes Material, wie
z. B. Aluminium, als ein Substrat verwendet, auf dem mehrschichtige leitende Muster
geätzt und angeordnet sind. Diese Anordnung ermöglicht es, daß Leistungs- und Erd-
Sammelleitungen und Verbindungen getrennt von den einzelnen Signal-Anschlußkissen
und Steuerelektronik-Anschlußkissen angeordnet werden, wodurch weiterhin die Aus
nutzung der Ressourcen zu einem Maximum gemacht wird.
Claims (21)
1. Elektronische Leistungs-Moduleinheit, gekennzeichnet durch:
ein Basisteil (6)
ein mit dem Basisteil (6) gekoppeltes Leistungsgehäuse (4), das eine Mehrzahl von Wänden aufweist, die eine innere Kammer bilden, und mit zumindest einem leiten den Bereich (30),
zumindest ein elektronisches Bauteil, das auf dem zumindest einen leitenden Bereich (30) befestigt ist, und
eine Leiterplatte (8), die in der innenliegenden Kammer des Leitungsgehäuses befestigt ist.
ein Basisteil (6)
ein mit dem Basisteil (6) gekoppeltes Leistungsgehäuse (4), das eine Mehrzahl von Wänden aufweist, die eine innere Kammer bilden, und mit zumindest einem leiten den Bereich (30),
zumindest ein elektronisches Bauteil, das auf dem zumindest einen leitenden Bereich (30) befestigt ist, und
eine Leiterplatte (8), die in der innenliegenden Kammer des Leitungsgehäuses befestigt ist.
2. Moduleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (8)
elektrisch mit dem Basisteil (6) über zumindest eine federnde Verbindungseinrichtung
(20) verbunden ist.
3. Moduleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine
federnde Verbindungseinrichtung (20) S-förmig ist.
4. Moduleinheit nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Leiterplatte (8) mit dem leitenden Bereich (30) über zumindest eine federnde Verbin
dungseinrichtung (20) verbunden ist.
5. Moduleinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine
federnde Verbindungseinrichtung S-förmig ist.
6. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß das zumindest eine elektronische Bauteil ein MOSFET ist.
7. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß das zumindest eine elektronische Bauteil ein Leistungsbauteil in einem Wand
ler für einen geschalteten Reluktanzmotor umfaßt.
8. Moduleinheit nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das
zumindest eine elektronische Bauteil einen Wandler für einen bürstenlosen 3-Phasen-
Gleichstrommotor bildet.
9. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß das Basisteil (6) ein isoliertes Metallsubstrat aufweist.
10. Moduleinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierte Metall
substrat aus Aluminium besteht.
11. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß das Basisteil (6) eine Vielzahl von elektrisch voneinander isolierten leitenden
Bereichen (32) aufweist.
12. Moduleinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch von
einander isolierten leitenden Bereiche (32) aus mit Nickel plattiertem Kupfer oder aus
nickelplattiertem Kupfer mit Goldoberflächenüberzug bestehen.
13. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-9 und 11, 12, dadurch
gekennzeichnet, daß das Basisteil aus einem Material besteht, das aus der Gruppe
ausgewählt ist, die aus Al, AlSiC und Cu besteht.
14. Elektronische Moduleinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das
Basisteil (6) unter Verwendung des Al2U3-Flammsprühverfahrens, in Form eines direkt
verbundenen Kupfersubstrates oder durch ein aktives Metall-Messingsubstrat herge
stellt ist.
15. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die Leiterplatte (8) eine Schaltung umfaßt, die die Betriebsweise des zumin
dest einen elektronischen Bauteils steuert, das auf dem zumindest einen leitenden
Bereich (30) befestigt ist.
16. Isolierte Metallsubstrat-Platte für eine elektronische Moduleinheit nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte folgendes umfaßt:
ein thermisch leitendes metallisches Substrat,
eine erste Isolierschicht, die an dem Metallsubstrat befestigt ist, wobei die erste Isolierschicht im wesentlichen das Metallsubstrat bedeckt,
zumindest zwei leitende Bereiche, die an der Isolierschicht befestigt sind, wobei die zumindest zwei leitenden Bereiche geätzt sind, um eine Vielzahl von voneinander getrennten Bereichen zu bilden,
eine zweite Isolierschicht, die zwischen den zumindest zwei leitenden Bereichen angeordnet ist, und
eine Lötmaske, die auf dem zumindest einen leitenden Bereich angeordnet ist.
ein thermisch leitendes metallisches Substrat,
eine erste Isolierschicht, die an dem Metallsubstrat befestigt ist, wobei die erste Isolierschicht im wesentlichen das Metallsubstrat bedeckt,
zumindest zwei leitende Bereiche, die an der Isolierschicht befestigt sind, wobei die zumindest zwei leitenden Bereiche geätzt sind, um eine Vielzahl von voneinander getrennten Bereichen zu bilden,
eine zweite Isolierschicht, die zwischen den zumindest zwei leitenden Bereichen angeordnet ist, und
eine Lötmaske, die auf dem zumindest einen leitenden Bereich angeordnet ist.
17. Isolierte Metallsubstrat-Platte nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß
das metallische Substrat aus Aluminium besteht.
18. Isolierte Metallsubstrat-Platte nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeich
net, daß die Dicke des metallischen Substrates ungefähr 3 mm (0,125 Zoll) beträgt.
19. Isolierte Metallsubstrat-Platte nach einem der Ansprüche 16-18, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Dicke von zumindest einer der ersten Isolierschicht und der zweiten
Isolierschicht ungefähr 0,15 mm (0,006 Zoll) beträgt.
20. isolierte Metallsubstrat-Platte nach einem der Ansprüche 16-19, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Dicke von zumindest einem der leitenden Bereiche ungefähr 0,033
mm (0,0013 Zoll) bis ungefähr 0,038 mm (0,0015 Zoll) beträgt.
21. Isolierte Metallsubstrat-Platte nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die
Dicke von zumindest einem anderen der leitenden Bereiche ungefähr 0,06 mm (0,0024
Zoll) bis ungefähr 0,076 mm (0,0030 Zoll) beträgt.
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