DE19939933B4 - Elektronische Leistungs-Moduleinheit - Google Patents
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Abstract
Elektronische Leistungs-Moduleinheit mit einem Gehäuse (4), das eine Anzahl von Wänden aufweist, die eine innere Kammer bilden, mit einem Basisteil (6), das eine Vielzahl von elektrisch voneinander isolierten leitenden Flächen (32) aufweist und mit der Unterseite des Gehäuses (4) verbunden ist, mit einer Vielzahl von Leiteranschlüssen (10a-10c, 12a-12f), die an dem Gehäuse (4) befestigt sind und sich aus der inneren Kammer durch das Gehäuse (4) hindurch zu dessen Außenseite erstrecken, mit einer Vielzahl von Leistungs-Halbleiterbauteilen (18), die jeweils mit den leitenden Flächen (32) verbunden sind, und mit einer Leiterplatte (8), die in der inneren Kammer des Leistungsgehäuses befestigt ist. dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteranschlüsse (10a-10c, 12a-12f) in der inneren Kammer jeweils einstöckig ausgebildete leitende Bereiche (30) aufweisen, daß die Leistungs-Halbleiterbauteile (18) jeweils elektrisch auf einer oberen Oberfläche eines jeweiligen leitenden Bereichs (30) befestigt ist, wobei jeder der leitenden Bereiche (30) die Verlustleistung eines daran elektrisch befestigten Leistungs-Halbleiterbauteils über den jeweiligen...
Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Leistungs-Moduleinheite der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
- Leistungs-Moduleinheiten, die Halbleiterbauteile verwenden, werden in vielen unterschiedlichen 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), insbesondere Leistungs-Metalloxyd-Feldeftekttransistoren (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 Feldeffekttransistoren in der Lage sind, die hohen Ströme zu schalten, die zur Speisung eines leistungsfähigen 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 Feldeftekttransistoren 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.
- Um die Wärmeübertragung von Leistungshalbleitern auf die Steuerschaltung zu verringern, ist es aus der
DE 44 18 426 A1 bekannt, die Leistungshalbleiter auf einem Substrat anzuordnen, das von dem Basisteil des Gehäuses thermisch isoliert ist, wobei die Steuerschaltungen auf einer Leiterplatte angeordnet sind, die ebenfalls thermisch von dem Basisteil isoliert ist. Hierbei ergibt sich jedoch ein relativ komplizierter Aufbau, und der für die Leistungshalbleiter zur Verfügung stehende Raum ist begrenzt - Diese Modulgehäuse-Anforderungen können besonders bei Kraftfahrzeuganwendungen schwierig zu erfüllen sein, bei denen die Leistungs-Moduleinheit klein sein muß und an der gleichen Stelle wie der angesteuerte Motor angeordnet werden muß. Beispielsweise 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 Verdrahtung 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.
- Aus der
JP 08007956 A - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leistungs-Halbleiter-Moduleinheit der eingags 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 Einschluß 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 Anschlüssen befestigt sind. Die Hochleistungs-Halbleiterbauteile sind ohne die Verwendung 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 zuverlässigere 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 Leistungsgehäuse weist eine Mehrzahl von eine innere Kammer bildenden Wänden und zumindest einen leitenden Bereich auf sich in das Innere des Leistungsgehäuses erstreckenden Enden der Leiteranschlüsse auf. Zumindest ein elektronisches Bauteil ist auf dem zumindest einen leitenden Bereich befestigt. Eine Leiterplatte ist innerhalb der inneren Kammer des Leistungsgehäuses angeordnet.
- Die vorliegende Erfindung ergibt weiterhin eine isolierte Metallsubstrat-Platte als Basisteil für eine elektronische Moduleinheit, bei der die Platte ein thermisch leitendes metallisches Substrat 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 leitenden Bereiche geätzt werden, um eine Mehrzahl von diskreten Bereichen zu bilden. Eine zweite Isolierschicht ist zwischen den zumindest zwei leitenden Bereichen angeordnet, 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:
-
1 eine perspektivische Ansicht einer zusammengebauten Leistungs-Moduleinheit gemäß der vorliegenden Erfindung, -
2 eine Vorderansicht einer zusammengebauten Leistungs-Moduleinheit gemäß der vorliegenden Erfindung, -
3 eine Seitenansicht einer zusammengebauten Leistungs-Moduleinheit gemäß der vorliegenden Erfindung, -
4 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht der zusammengebauten Leistungs-Moduleinheit gemäß den1 -3 , -
5 eine Unteransicht eines Leistungsgehäuses, wie es in einer Leistungs-Moduleinheit gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, -
6 eine Draufsicht auf ein Leistungsgehäuse, wie es in einer Leistungs-Moduleinheit gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, -
7 eine Draufsicht auf eine Basisplatte, die bei einer Leistungs-Moduleinheit gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, -
8 eine Schnittansicht eines Teils der Basisplatte nach6 , -
9 eine perspektivische Ansicht einer Leistungs-Moduleinheit gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine Basisplatte, ein Leistungsgehäuse und Hochleistungs-Halbleiterbauteile zeigt, die an dem Leistungsgehäuse befestigt sind, -
10 ein Schaltbild, das eine Hochleistungsschaltung für einen 4-Phasen-Wandler für einen geschalteten Reluktanzmotor unter Verwendung der in9 gezeigten Bauteile 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, zeigen die
1 ,2 und3 eine perspektivische Ansicht, eine Vorderansicht bzw. eine Seitenansicht einer zusammengebauten Moduleinheit2 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Leistungs-Moduleinheit2 besteht aus drei Haupt-Teilbaugruppen, nämlich einem Leistungsgehäuse4 , einer Basisplatte6 und einer Leiterplatte8 . Wie dies gezeigt ist, ist das Leistungsgehäuse4 auf der Basisplatte6 befestigt, und die Leiterplatte8 ist in den Hohlraum in dem Leistungsgehäuse4 eingesetzt. Jede dieser Teilbaugruppen wird weiter unten ausführlich erläutert. - Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Leistungs-Moduleinheit
2 in einer elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug-Servolenkungsanwendung 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 bürstenlosen Dreiphasen-Gleichstrommotor angepaßt werden kann. - Das Leistungsgehäuse
4 schließt Eingangsleistungsanschlüsse10a ,10b und10c ein, die vorzugsweise zum Empfang von Gleichspannungs-Eingangsleistung von einer (nicht gezeigten) äußeren Quelle ausgebildet sind. Beispielsweise ist der Anschluß10a ein positiver Spannungsanschluß, der Anschluß10b ist ein negativer Spannungsanschluß und der Anschluß10c ist ein Fahrgestell-Erdanschluß. Das Leistungsgehäuse4 schließt weiterhin Motor-Phasenanschlüsse12a ,12b ,12c ,12d ,12e und12f ein, die vorzugsweise zur Schaffung einer elektrischen Verbindung von der Leistungs-Moduleinheit2 zu den verschiedenen Phasenwicklungen eines geschalteten 4-Phasen-Reluktanzmotors ausgebildet sind, den die Leistungs-Moduleinheit steuern soll. Es sei darauf hingewiesen, daß die Motor-Phasenanschlüsse12a-12f einstückig mit dem Leistungsgehäuse4 abgeformt sind. Eine bevorzugte Schaltung für den elektronischen Leistungsabschnitt für die Leistungs-Moduleinheit2 wird weiter unten ausführlicher beschrieben. - Die Leiterplatte
8 ergibt die erforderlichen Niedrigleistungs-Steuerschaltungen zur Ansteuerung der Hochleistungs-Steuergeräteelektronik, wie z.B. von hohe Ströme führenden Leistungs-MOSFET-Bauteilen und Dioden. Die Niedrigleistungs-Steuerschaltung liefert typischerweise die Gate-Ansteuerspannung für die Hochleistungs-MOSFET-Halbleiter. Die einzelnen Niedrigleistungs-Schaltungsbauteile sind vorzugsweise auf der Oberseite14 der Leiterplatte8 befestigt. Eine Steckverbindung16 ist an der Leiterplatte8 befestigt, um externe Verbindungen an die Niedrigleistungs-Schaltung zu schaffen. - Eine elektrische Verbindung zwischen der Niedrigleistungs-Schaltung auf der Leiterplatte
8 und den Hochleistungs-Bauteilen18 , die auf dem Leistungsgehäuse4 befestigt sind, wie dies weiter unten erläutert wird, wird mit Hilfe von S-förmigen Anschlußstiftverbindern20 erreicht. Obwohl in3 lediglich zwei derartige Verbinder gezeigt sind, sei darauf hingewiesen, daß zusätzliche Verbinder verwendet werden können, wie dies erforderlich ist. Obwohl die Verbinder20 so gezeigt sind, als ob sie vorzugsweise S-förmig sind, können diese Verbinder irgendeine Form aufweisen, sofern sie einen elastischen gelöteten oder Drahtkontaktierungs-Anschluß zwischen der Leiterplatte8 und dem Leistungsgehäuse4 ergeben. Wie dies gezeigt ist, ergeben die S-förmigen Stiftverbinder20 eine federnde elastische Verbindung zwischen der Leiterplatte8 und dem Leistungsgehäuse4 , derart, daß durch die Befestigung der Leiterplatte8 in dem Hohlraum in dem Leistungsgehäuse4 die S-förmigen Stiftverbindungen20 direkt mit einer metallischen Lasche20 auf dem Leistungsgehäuse4 in Kontakt kommen oder direkt mit einem Anschlußkissenbereich auf der Basisplatte6 in Kontakt kommen. - Die Verwendung der S-förmigen Stiftverbinder
20 vermeidet die Notwendigkeit der Verwendung einer an einem Rand angeordneten Reihe oder von Reihen von Verbindungsstiften. Verbindungsstifte, die in Form einer Kantensteckverbindung angeordnet sind, erfordern, daß die zu anderen Modulbauteilen, wie z.B. dem Leistungsgehäuse4 oder der Grundplatte6 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-Stiftverbinder20 , daß Signale auf der Leiterplatte8 direkt mit dem Leistungsgehäuse4 oder der Basisplatte6 dadurch verbunden werden, daß jede Verbindung unabhängig von jeder anderen gemacht wird. Dies heißt mit anderen Worten, daß es die S-Stiftverbinder20 ermöglichen, daß ein mit einem Modulbauteil 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 Störunempfindlichkeit für die Leistungs-Moduleinheit2 . - Die Leistungs-Moduleinheit
2 kann über Befestigungslaschen24 befestigt werden, die zur Aufnahme geeigneter Befestigungselemente, wie z.B. Schrauben, ausgebildet sind, wie dies in der Technik gut bekannt ist. Die Leistungs-Moduleinheit2 wird vorzugsweise über die Basisplatte6 an einem Kühlkörper befestigt, so daß die von den Hochleistungsbauteilen erzeugte Wärme abgeführt wird. Wie dies weiter unten ausführlich erläutert wird, ergibt die Basisplatte6 eine thermische Verbindungsstrecke für die Hochleistungsbauteile, so daß die Basisplatte6 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 anderem leitenden Material bestehende lötbare Oberfläche angeordnet ist. -
4 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht der Leistungs-Moduleinheit2 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Leistungsgehäuse4 , die Basisplatte6 und die Leiterplatte8 sind zur Schaffung einer kompakten Baugruppe und zur wirkungsvollen Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Oberfläche angeordnet. - Das Leistungsgehäuse
4 wird mit der Basisplatte6 durch Einsetzen von Befestigungszapfen26 in Befestigungsbohrungen28 ausgerichtet und gekoppelt. Das Leistungsgehäuse4 ist so abgeformt, daß es leitende Bereiche30 einschließt, auf denen Hochleistungs-Halbleiterbauteile18 beispielsweise durch Löten, mit Hilfe eines leitenden Epoxy-Materials oder dergleichen befestigt sind. Wenn das Leistungsgehäuse4 an der Basisplatte6 befestigt ist, sind die leitenden Bereiche30 über jeweiligen Kontaktbahn-Bereichen angeordnet und mit diesen durch Löten oder durch eine leitende Klebeverbindung verbunden. Dies ergibt eine elektrische Verbindung zwischen den Hochleistungs-Halbleiterbauteilen18 und der Basisplatte6 . - Die Verbindung zwischen den leitenden Bereichen
30 und den Kontaktbereichen32 erfüllt zwei nützliche Funktionen. Zunächst ergibt sich eine elektrische Verbindung zur Basisplatte, was die Verteilung von Leistungs- und Erdverbindungen und Hochleistungssignalen zwischen den verschiedenen Hochleistungs-Halbleiterbauteilen18 ermöglicht. Zweitens wird ein thermisch leitender Pfad von dem Hochleistungs-Halbleiterbauteilen18 zur Basisplatte6 geschaffen. Dieser thermisch leitende Pfad ermöglicht die Ableitung thermischer Energie von den Hochleistungs-Halbleiterbauteilen18 und die Übertragung der thermischen Energie auf einen (nicht gezeigten) Kühlkörper, der mit der Basisplatte6 gekoppelt ist. - Die Hochleistungsbauteile
18 sind auf der Oberseite der leitenden Bereiche30 innerhalb des Leistungsgehäuses4 befestigt, während die Unterseite der leitenden Bereiche30 mit den Kontaktbereichen32 auf der Basisplatte6 in Kontakt steht. - Die Leiterplatte
8 ist so ausgebildet, daß sie in das Leistungsgehäuse4 derart paßt, daß eine Ausrichtkerbe34 auf der Leiterplatte8 mit einer Ausrichtlasche36 auf dem Leistungsgehäuse4 zusammenpaßt. Hierdurch wird eine richtige Ausrichtung der Leiterplatte8 sichergestellt, wodurch der Zusammenbau der Leistungs-Moduleinheit vereinfacht wird. Beim Einsetzen in das Leistungsgehäuse4 kommen die S-förmigen Stiftverbinder20 mit einem oder mehreren leitenden Bereichen30 und/oder einem oder mehreren jeweiligen Anschlußkissen38 auf der Basisplatte6 in Eingriff. Dies ermöglicht die Herstellung elektrischer Verbindungen zwischen der Leiterplatte8 und der Basisplatte 6, wobei die Herstellung vereinfacht wird. - Während der Herstellung kann die Leiterplatte
8 mit ihren zugehörigen Bauteilen getrennt von den Hochleistungsbauteilen18 und dem Leistungsgehäuse4 zusammengebaut werden. Sobald das Leistungsgehäuse4 und die Basisplatte6 zusammengebaut sind und alle Drahtkontaktierungen fertiggestellt sind, wie dies weiter unten erläutert wird, wird die Leiterplatte8 in einfacher Weise mit dem Leistungsgehäuse4 zusammengebaut. Nachteilige Auswirkungen von thermischer Energie auf die Leiterplatte8 werden unter Verwendung der Konfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung vermieden. Die thermische Energie wird von den Hochleistungsbauteilen18 zu einem an der Basisplatte6 angebrachten Kühlkörper in einer Richtung von der Leiterplatte8 fort übertragen. - Der innere Hohlraum, der von dem Leistungsgehäuse
4 und der Basisplatte6 und der (nicht gezeigten ) Abdeckung gebildet wird, wird mit einem Vergußgel, wie z.B. einem Silikonelastomer gefüllt. - Die Hochleistungsbauteile
18 schließen Leistungs-MOSFET-Bauteile Überbrückungswiderstände, 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 werden kann, die Leistungs-Halbleiterbauteile und eine Niedrigleistungs-Steuerschaltung verwendet. - Die
5 und6 zeigen eine Unteransicht bzw. eine Draufsicht des Leistungsgehäuses4 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die5 und6 zeigen die leitenden Bereiche30 mit weiteren Einzelheiten. Jeder der leitenden Bereiche30 ist eine Verlängerung der Anschlüsse10a-10c und der Motor-Phasenanschlüsse12a-12f oder eines mit Hinterschneidungen versehenen Abschnittes40 , der in den Kunststoff-Formteil-Abschnitt42 des Leistungsgehäuses4 eingebettet ist. Im Fall der Anschlüsse10a-10c oder der Motor-Phasenanschlüsse12a-12f erstrecken sich die leitenden Bereiche30 durch das Kunststoff-Formteil42 und sind an diesem festgelegt. -
5 zeigt die Unterseite44 der leitenden Bereiche30 . -
6 zeigt die Oberseite46 der leitenden Bereiche30 . Jeder der Anschlüsse10a-10c und der Motor-Phasenanschlüsse12a-12f weist einen leitenden Bereich30 auf, der eine Unterseite44 und eine Oberseite46 aufweist. Wie dies weiter oben erläutert wurde, sind die Hochleistungsbauteile18 auf einer jeweiligen Oberseite46 befestigt, während die Unterseite44 in elektrischem Kontakt mit einem jeweiligen Kontaktbereich32 auf der Basisplatte6 steht. - Die Verwendung von aneinander angrenzenden Anschlüssen
10a-10c und Motor-Phasenanschlüssen12a-12f , auf denen Hochleistungsbauteile18 befestigt sind, vereinfacht die Konstruktion und unterstützt die Wärmeverteilung und -ableitung. - Das Leistungsgehäuse
4 ist weiterhin mit durchgehenden Bohrungen49 zur Aufnahme einer geeigneten (nicht gezeigten) Abdeckung versehen. - Die
7 zeigt eine Draufsicht auf die Basisplatte6 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie dies weiter oben erläutert wurde, ist die Basisplatte6 vorzugsweise eine isolierte Metallsubstrat- (IMS-) Struktur und kann unter Verwendung bekannter Techniken gebildet werden. Die Basisplatte6 ist mit einem derartigen Muster versehen, daß sich ein Massezugang an das Substrat48 über eine Masse-Ätzung50 ergibt. Eine derartige IMS-Struktur ergibt eine gute thermische Leitfähigkeit von den Kontakmusterbereichen32 durch das IMS zu dem Substrat48 . Das Substrat48 ist vorzugsweise aus Aluminium, 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 Materialien dar, wie z.B. Kunststoff, Glas usw. Weiterhin schützt die Steifigkeit des metallischen Substrats die Moduleinheit gegenüber einem Brechen. - Das IMS ist mit einem derartigen Muster versehen, daß eine Vielzahl von elektrisch isolierten leitenden Bereichen gebildet wird. Diese leitenden Bereiche ermöglichen eine Verteilung der positiven und negativen Leistungsverbindungen und der Phasenanschlüsse, sie ermöglichen getrennte Gate-Anschlußkissen und unterstützen die Übertragung von thermischer Energie durch das Substrat, ohne daß ein Kurzschluß zwischen 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 Al203-Flammsprühens isoliert werden können, oder direkt verbundene Kupfer- oder aus aktivem Metall bestehende Messing-Substrate.
-
8 zeigt eine Schnittansicht entlang des Schnittes 8-8 in7 . Die resultierende Struktur, wie sie bei der vorliegende Erfindung verwendet wird, ist in8 gezeigt. Gemäß8 ist eine erste Isolierschicht oder ein Polymer-Film52 auf dem Substrat48 angeordnet. Ein leitender Bereich54 ist auf der ersten Isolierschicht52 angeordnet, und eine leitende Schicht56 ist auf dem leitenden Bereich54 angeordnet. Ein zweiter Isolier- oder Polymer-Film58 ist über der leitenden Schicht56 angeordnet, und ein leitender Bereich60 ist auf dem zweiten Isolierfilm58 angeordnet. Die erste Isolierschicht52 und die zweite Isolierschicht58 weisen vorzugsweise eine Dicke von ungefähr 0,15 mm (0,006 Zoll) auf. Der leitende Bereich54 wird derart hergestellt, daß wenn die Vertiefung62 in die leitenden und isolierenden Bereiche54 ,56 ,58 und60 geätzt wird, der leitende Bereich54 plattiert werden kann, um sich quer durch die Vertiefung62 zu erstrecken und um eine Schicht oberhalb des leitenden Bereichs60 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 Bereich54 ist vorzugsweise ungefähr 0,033 mm bis ungefähr 0,038 mm dick, und er besteht vorzugsweise aus Kupfer. Die leitenden Bereiche56 und60 sind vorzugsweise ungefähr 0,06 mm bis ungefähr 0,076 mm dick, und sie sind vorzugsweise aus Kupfer hergestellt. Schließlich wird eine Lötmaske66 auf die Plattierungsschicht64 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 in9 gezeigt. Zunächst sei darauf hingewiesen, daß es wünschenswert ist, einen Kondensator vorzusehen, der betriebsmäßig zwischen den +BUS- und den -BUS-Anschlüssen in einer Leistungsschaltung angeschaltet ist. Gemäß der Erfindung wird ein Kondensator68 betriebsmäßig beispielsweise durch Löten zwischen dem positiven Anschluß10a und dem negativen Anschluß10b angeschaltet. Der Kondensator68 liefert eine örtliche Energie, die in der Lage ist, relativ große Stromimpulse in die Leistungsschaltung zu liefern. - Wie dies in
9 gezeigt ist, ist der Kondensator68 in vorteilhafter Weise auf passenden leitenden Bereichen30 befestigt, so daß er keinen wertvollen Oberflächenbereich verbraucht. Die Befestigung des Kondensators68 auf diese Weise ergibt immer noch ein ausgezeichnetes elektrisches Betriebsverhalten, weil er integral innerhalb der Leistungsschaltung in enger elektrischer Nähe zu den anderen Schaltungsbauteilen angeordnet ist. - Weiterhin können gemäß der Erfindung Überbrückungswiderstände
70a und70b innerhalb des Leistungsgehäuses4 angeordnet sein. In vorteilhafter Weise sind die Überbrückungswiderstände70a und70b innerhalb der Leistungsschaltung in elektrischer Nähe zu den Hochleistungsbauteilen18 derart angeordnet, daß wertvoller Oberflächenbereich der Grundplatte eingespart wird. Die Überbrückungswiderstände70a und70b weisen vorzugsweise einen Widerstandswert von 1 mOhm auf. -
10 zeigt ein Schaltbild des als Beispiel verwendetem 4-Phasen-Wandlers für einen geschalteten Reluktanzmotor gemäß9 . Wie dies in den9 und10 gezeigt ist, stellt der Motor-Phasenanschluß12a den Eingang an die Motorphase A und die Motorphase C dar. Die Motor-Phasenanschlüsse12b und12c stellen die jeweiligen Ausgänge der Motorphase A und der Motorphase C dar. In ähnlicher Weise stellt der Motor-Phasenanschluß12d den Eingang an die Motorphase B und die Motorphase D dar, während die Motor-Phasenanschlüsse12e und12f die jeweiligen Ausgänge der Motorphase B und der Motorphase D darstellen. - Der Kondensator
68 und die Überbrückungswiderstände70a und70b sind ebenfalls an ihren jeweiligen Anordnungspunkten innerhalb der Schaltung gezeigt. - Wie dies in
9 gezeigt ist, ist ein Thermistor72 an der Basisplatte6 befestigt, um die Temperatur der Leistungs-Moduleinheit2 zu überwachen. Der Thermistor72 stellt kein integrales Bauteil der Motor-Wandlerschaltung dar, so daß er in10 nicht gezeigt ist. - Wie dies in den
9 und10 gezeigt ist, sind die Eingangs-MOSFET-Bauteile74a und74b auf einem leitenden Bereich30 befestigt und mit einem anderen leitenden Bereich30 über eine Vielzahl von Drahtkontaktierungen76 verbunden. Die Drahtkontaktierungen76 , die zur Verbindung eines Anschlusses eines Halbleiterbauteils60 mit einem leitenden Bereich30 oder einem Gate-Anschlußkissen78 auf der Basisplatte6 verwendet werden, können unter Verwendung irgendeiner bekannten Drahtkontaktierungstechnik hergestellt werden. Die Eingangs-MOSFET-Bauteile74a und74b sind vorzugsweise 30 Volt-N-Kanal-MOSFET-Bauteile mit der Halbleiterplättchen-Größe4.6 . Wie der Begriff hier verwendet wird, bezieht sich die Halbleiterplättchen-Größe der MOSFET-Bauteile74a und74 sowie aller anderen Halbleiterbauteile auf die in der Industrie genormten Halbleiterplättchen-Größen. - Die Ausgangs-MOSFET-Bauteile
80a ,80b ,80c und80d sind zwischen ihren jeweiligen Motor-Phasenanschlüssen12b ,12c ,12e und12f und den -BUS-Anschluß10b angeschaltet. Die Gate-Elektroden der Ausgangs-MOSFET-Bauteile80a-80d sind über Drahtkontaktierungsverbindungen mit einem Gate-Anschlußkissen78 zur Verbindung mit der Steuerschaltungs-Leiterplatte8 verbunden. Die Verbindung zwischen den Gate-Anschlußkissen78 und der Leiterplatte8 erfolgt in der weiter oben erläuterten Weise über S-förmige Stiftverbinder20 . Die Ausgangs-MOSFET-Bauteile80a-80d sind vorzugsweise 30-Volt-, N-Kanal-Leistungs-MOSFET-Bauteile der Halbleiterplättchen-Größe4 . - Eine Wechselspannungs-Phasendiode
82 , die aus zwei parallelen getrennten Halbleiterplättchen82a und82b besteht, ist auf dem leitenden Bereich30 angeordnet und befindet sich in der Motor-Steuerschaltung derart, daß sie an ihrer Kathode mit dem Drain-Anschluß des Eingangs-MOSFET74a und an ihrer Anode mit dem -BUS-Eingangsanschluß10b verbunden ist. In ähnlicher Weise besteht eine B-/D-Phasendiode84 aus zwei getrennten Dioden-Halbleiterplättchen84a und84b , und sie ist innerhalb der Motor-Steuerschaltung mit ihrer Kathode mit dem Drain-Anschluß des Eingangs-MOSFET74b und an ihrer Anode mit dem -BUS-Anschluß10b verbunden. Jedes der Dioden-Halbleiterplättchens82a ,82b ,84a und84b ist vorzugsweise ein 45-Volt-Schottky-Bauteil mit der Halbleiterplättchen-Größe2 . - Schließlich sind Dioden
86a-86d an einem leitenden Bereich30 befestigt und innerhalb der Motor-Steuerschaltung derart angeordnet, daß jede jeweilige Diode86a ,86b ,86c und86d an ihrer Kathode mit dem +BUS-Anschluß10a und mit ihrer Anode mit einem jeweiligen Motor-Phasenanschluß12b ,12c ,12e bzw.12f verbunden ist. Die Dioden86a ,86b ,86c und86d sind vorzugsweise 45 Volt-Schottky-Bauteile mit der Halbleiterplättchen-Größe2 . - Ein Betrieb des Wandlers für einen Motor mit geschalteter Reluktanz wird nunmehr anhand der
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 Freilaufvorgang und einen Vorgang mit erzwungener Entmagnetisierung. Die Magnetisierung, der Freilaufvorgang und die Entmagnetisierung werden durch geeignetes Ein- und Ausschalten der Leistungs-MOSFET-Bauteile bewirkt. Während der Magnetisierung einer Phase zum Hervorrufen einer bestimmten Motorfunktion werden der Eingangs-MOSFET
74a und der Ausgangs-MOSFET80a durch Anlegen einer geeigneten Gate-/Source-Spannung eingeschaltet. Das Einschalten der MOSFET-Bauteile74a und80a ruft einen Strompfad von dem +BUS-Anschluß10a durch den Überbrückungswider-stand70a , die A-Phasenwicklung des Motors und durch den -BUS-Anschluß10b hervor. - Während des gut bekannten Freilauf-Schaltungsbetriebs bleibt der Ausgangs-MOSFET
80a eingeschaltet, während der Eingangs-MOSFET74a abgeschaltet wird. Dies führt zum Fließen eines Freilaufstroms während des Zusammenbruchs des Feldes der A-Phasenwicklung des Motors durch den Überbrückungswiderstand70a , die A-Phaseneingangdiode82 und durch den Ausgangs-MOSFET80a . - 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-MOSFET74a und der Ausgangs-MOSFET80a abgeschaltet. Dies führt dazu, daß Strom von dem – BUS-Anschluß10b durch die Eingangsdiode82 , durch den Überbrückungswiderstand70a und durch die Phase A des Motors mit geschalteter Reluktanz fließt, wodurch dessen Strompfad durch die Ausgangsdiode86a vervollständigt wird. - Die Kombination der Magnetisierungs-, Freilauf- und erzwungenen Entmagnetisierungsvorgänge 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-Moduleinheit2 ermöglichen es, daß sie auf oder in der Nähe des Servolenkungsmechanismus ohne Gefahr von Schäden an den empfindlichen Steuerelektroniken auf der Leiterplatte8 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 ausgebildet, daß die thermische Energie von den Hochleistungsbauteilen
18 in wirkungsvoller Weise über die Basisplatte6 zur Ableitung von der Leiterplatte8 übertragen wird, wobei ein extern angebrachter Kühlkörper oder irgendein anderes bekanntes Wärmeableitungsverfahren verwendet wird. - Die Anordnung des Leistungsgehäuses
4 , der Basisplatte6 und der Leiterplatte8 in Verbindung mit den S-förmigen Stiftverbindern20 ermöglicht es, daß die Leistungs-Moduleinheit2 leicht zusammenbaubar ist und die Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Oberfläche zu einem Maximum gemacht wird, während die Gesamtgröße der Moduleinheit zu einem Minimum gemacht wird. Dies wird weiterhin durch die Verwendung einer Basisplatte6 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.
Claims (21)
- Elektronische Leistungs-Moduleinheit mit einem Gehäuse (
4 ), das eine Anzahl von Wänden aufweist, die eine innere Kammer bilden, mit einem Basisteil (6 ), das eine Vielzahl von elektrisch voneinander isolierten leitenden Flächen (32 ) aufweist und mit der Unterseite des Gehäuses (4 ) verbunden ist, mit einer Vielzahl von Leiteranschlüssen (10a-10c ,12a-12f ), die an dem Gehäuse (4 ) befestigt sind und sich aus der inneren Kammer durch das Gehäuse (4 ) hindurch zu dessen Außenseite erstrecken, mit einer Vielzahl von Leistungs-Halbleiterbauteilen (18 ), die jeweils mit den leitenden Flächen (32 ) verbunden sind, und mit einer Leiterplatte (8 ), die in der inneren Kammer des Leistungsgehäuses befestigt ist. dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteranschlüsse (10a-10c ,12a-12f ) in der inneren Kammer jeweils einstöckig ausgebildete leitende Bereiche (30 ) aufweisen, daß die Leistungs-Halbleiterbauteile (18 ) jeweils elektrisch auf einer oberen Oberfläche eines jeweiligen leitenden Bereichs (30 ) befestigt ist, wobei jeder der leitenden Bereiche (30 ) die Verlustleistung eines daran elektrisch befestigten Leistungs-Halbleiterbauteils über den jeweiligen Leiteranschluss ableitet, und dass die untere Oberfläche der leitenden Bereiche (30 ) an den leitenden Flächen (32 ) des Basisteils (6 ) befestigt ist. - Elektronische Leistungs Moduleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (
8 ) eine Schaltung umfasst, die die Betriebsweise der Leistungs-Halbleiterbauteile (18 ) steuert, die auf den leitenden Bereichen (30 ) befestigt sind. - Elektronische Leistungs Moduleinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (
8 ) elektrisch mit leitenden Flächen (32 ) des Basisteils (6 ) über zumindest eine federnde Verbindungseinrichtung (20 ) verbunden ist. - Elektronische Leistungs Moduleinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine federnde Verbindungseinrichtung (
20 ) S-förmig ist. - Elektronische Leistungs Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine elektronische Leistungs-Halbleiterbauteil ein MOSFET ist.
- Elektronische Leistungs Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer (
10a-10b ) der Vielzahl von Leiteranschlüssen (10a-10c ,12a-12f ) ein Leistungs-Eingangsanschluß ist. - Elektronische Leistungs Moduleinheit nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer (
12a-12f ) der Vielzahl von Leiteranschlüssen (10a-10c ,12a-12f ) ein Leistungs-Ausgangsanschluß ist. - Elektronische Leistungs Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (
4 ) aus einem Kunstharzmaterial ausgeformt ist. - Elektronische Leistungs Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisteil (
6 ) durch ein isoliertes Metallsubstrat gebildet ist. - Elektronische Leistungs Moduleinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierte Metallsubstrat aus Aluminium besteht.
- Elektronische Leistungs Moduleinheit nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch voneinander isolierten leitenden Flächen (
32 ) aus mit Nickel plattiertem Kupfer oder aus nickelplattiertem Kupfer mit Goldoberflächenüberzug bestehen. - Elektronische Leistungs Moduleinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisteil aus einem Material besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Al, AlSiC und Cu besteht.
- Elektronische Leistungs Moduleinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisteil (
6 ) unter Verwendung des Al2O3-Flammsprühverfahrens, in Form eines direkt verbundenen Kupfersubstrates oder durch ein aktives Metall-Messingsubstrat hergestellt ist. - Elektronische Leistungs Moduleinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisteil (
6 ) 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 Flächen, die an der Isolierschicht befestigt sind, wobei die zumindest zwei leitenden Flächen geätzt sind, um eine Vielzahl von voneinander getrennten Flächen (32 ) 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. - Elektronische Leistungs Moduleinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Substrat aus Aluminium besteht.
- Elektronische Leistungs Moduleinheit nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des metallischen Substrates ungefähr 3 mm beträgt.
- Elektronische Leistungs Moduleinheit nach einem der Ansprüche 14-16, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke von zumindest einer der ersten Isolierschicht und der zweiten Isolierschicht ungefähr 0,15 mm beträgt.
- Elektronische Leistungs Moduleinheit nach einem der Ansprüche 14-17, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke von zumindest einem der leitenden Bereiche ungefähr 0,033 mm bis ungefähr 0,038 mm beträgt.
- Elektronische Leistungs Moduleinheit nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke von zumindest einem anderen der leitenden Bereiche ungefähr 0,06 mm bis ungefähr 0,076 mm beträgt.
- Elektronische Leistungs Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine elektronische Bauteil ein Leistungsbauteil in einem Wandler für einen geschalteten Reluktanzmotor umfaßt.
- Elektronische Leistungs Moduleinheit nach einem der Ansprüche 1-19, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine elektronische Bauteil einen Wandler für einen bürstenlosen 3-Phasen-Gleichstrommotor bildet.
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