JP2022002464A - 中間回路コンデンサにより電動車駆動を作動させるパワーモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】中間回路コンデンサにより電動車駆動を作動させるパワーモジュールを提供する。【解決手段】電動車駆動を作動させるパワーモジュール（１０）は、供給される入力電流に基づいて出力電流を生成する複数のパワースイッチ（１１４、１１６、１２４、１２６、１３４、１３６）と、パワースイッチに並列に接続されている中間回路コンデンサアセンブリと、を備える。複数のパワースイッチは、相互に直列に接続された２つのパワースイッチをそれぞれが含む複数のグループ（１１５、１２５、１３５）を備える。中間回路コンデンサアセンブリは、複数の中間回路コンデンサ（１１２、１２２、１３２）を含む。中間回路コンデンサは、それぞれ、パワースイッチの複数のグループのうちの１つのグループに割り当てられ、グループのそれぞれと共にサブモジュール（１０２、１０４，１０６）を構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、エレクトロモビリティの分野に関し、特に車両の電気駆動を作動させるパワーモジュールに関する。
パワーモジュール、特に一体型パワーモジュールは、自動車においてますます使用されている。この種のパワーモジュールは、例えば、電気モータ等の電気機械に多相交流を供給するよう機能するＤＣ／ＡＣインバータで使用される。この場合、バッテリ等の直流エネルギー源を用いて生成される直流は、多相交流に変換される。パワーモジュールは、パワー半導体、特にＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴおよびＨＥＭＴ等のトランジスタの使用に基づく。更なる使用分野は、ＤＣ／ＤＣコンバータ、ＡＣ／ＤＣ整流器（コンバータ）および変圧器である。
ブリッジ回路に使用されるパワースイッチは、通常、パワー半導体から構成される。一般的な例は、いわゆるハーフブリッジである。これは、ハイサイドコンポーネントと、ローサイドコンポーネントと、を含む。ハイサイドおよびローサイドコンポーネントは、それぞれ、１つまたは複数のパワースイッチ、すなわち、ハイサイドパワースイッチまたはローサイドパワースイッチを含む。ハイサイドパワースイッチおよびローサイドパワースイッチを目的の通りにスイッチングすることによって、パワーモジュールの出力部で生成される電流（出力電流）の方向を、正の電流方向と負の電流方向との間で、非常に短い周期で変化させることができる。これによって、ＤＣ／ＡＣインバータの場合にパワーモジュールの入力側に供給される直流に基づいて交流を生成するために、いわゆるパルス幅変調が可能になる。
これらの用途の全てにおいて、使用されるパワースイッチのスイッチング時間が十分に短いことが有利である。パワー半導体の分野における進歩のおかげで、ＳｉＣおよびＧａＮのような、いわゆるワイドバンドギャップ半導体（大きなバンドギャップを有する半導体）で短いスイッチング時間を実現することができる。
しかしながら、スイッチング時間が短いと、パワーモジュールの電力ラインに漏れインダクタンスが存在する場合、パワースイッチのスイッチオンおよびオフ時に高い電圧を発生させるという欠点がある。そのため、パワースイッチ、またはその中に含まれるパワー半導体が溶け落ち、それによってダメージを受ける可能性がある。確かに、従来技術から既知のパワーモジュールには、発生する電圧ピークを低減する、または平坦化する中間コンデンサが既に使用されている。しかしながら、既知のパワーモジュールでは、この電圧を平滑化する効果は、設計に起因して、パワー半導体を焼損から保護するのに十分ではない。
したがって、本発明の課題は、パワーモジュールの性能を向上させるために、スイッチオンまたはオフ時の電圧ピークによる焼損から、パワー半導体をより良好に保護することである。
この課題は、独立請求項による、パワーモジュールを製造する方法によって、ならびにそのようなパワーモジュールおよび車両におけるその使用によって達成される。
本発明の範囲のパワーモジュールは、車両、特に電動車両および／またはハイブリッド車両の電気駆動を作動させるために使用される。パワーモジュールは、好適には、ＤＣ／ＡＣインバータで使用される。特に、パワーモジュールは、電気機械、例えば電気モータおよび／または発電機に通電するために使用される。ＤＣ／ＡＣインバータは、バッテリ等のエネルギー源のＤＣ電圧を用いて生成される直流から、多相交流を発生させるために使用される。
入力電流（直流）を供給するために、パワーモジュールは、好適には、正極および負極を有する入力接点を備える。パワーモジュールの作動時は、正極はバッテリの正の接続部に導電的に接続されている。負極はバッテリの負の接続部に導電的に接続されている。
パワーモジュールは、さらに、スナバコンデンサに並列に接続された複数のパワースイッチを備える。これらの半導体ベースのパワースイッチは、個別のパワースイッチを制御することによって、供給される入力電流に基づいて出力電流を生成するように機能する。パワースイッチの制御は、いわゆるパルス幅変調に基づくことができる。
複数のパワースイッチは、複数のグループに分割されている。複数の各グループ（またはパワースイッチグループ）は、それぞれ、相互に直列に接続された２つのパワースイッチを含む。好適には、ブリッジ回路アセンブリは、パワースイッチから構成されている。ブリッジ回路アセンブリは、例えばハーフブリッジとして構成されている１つまたは複数のブリッジ回路を含むことができる。各ハーフブリッジは、相互に並列に接続された１つまたは複数のハイサイドスイッチ（ＨＳスイッチ）と、相互に並列に接続された１つまたは複数のローサイドスイッチ（ＬＳスイッチ）と、を含む。ＨＳスイッチは、ＬＳスイッチに直列に接続されている。この場合、各ハーフブリッジは、パワースイッチグループを構成する。各ハーフブリッジは、多相交流（出力電流）の１つの電流位相に割り当てられている。ＨＳスイッチおよびＬＳスイッチは、それぞれ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴまたはＨＥＭＴ等である１つまたは複数のパワー半導体部品を含む。それぞれのパワー半導体部品がベースとする半導体材料は、好適には、炭化ケイ素（ＳｉＣ）または窒化ガリウム（ＧａＮ）のような、いわゆるワイドバンドギャップ半導体（大きなバンドギャップを有する半導体）を含む。または、代替的もしくは追加的に、半導体材料はシリコンを含むことができる。
電圧平滑化のために、パワーモジュールは、さらに、パワースイッチに並列に接続された中間回路コンデンサアセンブリを備える。中間回路コンデンサアセンブリは、例えば平板コンデンサとして設計された複数の中間回路コンデンサを含む。各中間回路コンデンサは、複数のパワースイッチグループのうちの１つのパワースイッチグループに割り当てられている。したがって、全ての中間回路コンデンサは、それぞれ、１対１の割り当てで、全てのパワースイッチグループに割り当てられている。
また、パワーモジュールは、好適には、パワースイッチを取り付けるための絶縁基板を備える。絶縁基板は、例えば、第１金属層と、第２金属層と、第１金属層と第２金属層との間に配置された絶縁層と、を備える。これは、好適には、直接結合銅（ＤＣＢ：Direct Bonded Copper）絶縁基板である。パワースイッチは、第１金属層の上に取り付けられる。例えば、パワースイッチは、焼結、溶接、はんだ付けを介して、またはねじ接続を用いて第１金属層の上に取り付けられる。
パワーモジュールは、好適には、さらにヒートシンクを備える。ヒートシンクは、高い入力電流が存在する場合に、パワーモジュール、特にパワースイッチにおいて生成される熱を放散させるために使用される。
パワーモジュールが、１対１の割り当てで多様なパワースイッチグループに対して恒久的に割り当てられている、１つだけでなく複数の中間回路コンデンサを備えることによって、パワーモジュールにおける中間回路コンデンサの配置に関する柔軟性が向上する。これによって、各中間回路コンデンサと、それに関連するパワースイッチグループとの間の電気ラインを、より短くすることができる。したがって、電気ラインの長さに関連する漏れインダクタンスが低減される。したがって、パワースイッチのスイッチオンおよびオフ時に電圧ピークが発生する可能性が低減される。このようにして、パワースイッチにおいて、さもなければＷＢＧ半導体材料の使用時に、パワーモジュールにおける漏れインダクタンスに対してこれらの材料のスイッチング時間が非常に短いことに起因して懸念されるであろう焼損の危険性が低減される、またはそうした危険性からパワースイッチが完全に保護される。したがって、パワーモジュールの機能性が向上する。
有利な実施形態および更なる発展形態は、従属請求項に明記されている。
次に、例示的に添付の図面を参照して、実施形態を説明する。
一実施形態による、パワーモジュールのための回路の概略図である。 更なる実施形態による、パワーモジュールのサブモジュールの側面図での概略図である。 図２に示すサブモジュールの複数からなるパワーモジュールの側面図での概略図である。 図２のサブモジュールの更なる側面図での概略図である。
図面において、同一の参照符号は、同一または機能的に類似の参照部分を指す。個別の図において、関連する参照部分が、それぞれ、示されている。
図１は、一実施形態による、パワーモジュール１０のための回路の概略図を示す。パワーモジュール１０は、主に、供給される直流を多相交流に変換するＤＣ／ＡＣインバータに用いられる。交流は、例えば、相互にそれぞれ１２０度の位相角だけシフトされた３つの電流位相を有する。パワーモジュール１０は、ここでは簡略化して示されており、３つのサブモジュール１０２、１０４、１０６を備える。３つのサブモジュール１０２、１０４、１０６のそれぞれは、３つの電流位相のうちの１つの電流位相に割り当てられている。三相交流であることは、本発明の１つの例示的な用途である。
各サブモジュール１０２、１０４、１０６は、１つまたは複数のハイサイドスイッチ１１６、１２６、１３６および１つまたは複数のローサイドスイッチ１１４、１２４、１３４からなるグループ１１５、１２５、１３５（図２参照）を有するハーフブリッジを備える。ハーフブリッジが複数のハイサイドスイッチおよび／またはローサイドスイッチを含む場合、複数のハイサイドスイッチは相互に並列に接続され、複数のローサイドスイッチは相互に並列に接続される。ハーフブリッジ内部で、ハイサイドスイッチは、ローサイドスイッチに直列に接続されている。
各サブモジュール１０２、１０４、１０６は、さらに、中間回路コンデンサ１１２、１２２、１３２を備える。中間回路コンデンサ１１２、１２２、１３２は、それぞれのサブモジュール１０２、１０４、１０６におけるパワースイッチに並列に接続されている。したがって、図１に示す例では、３つの中間回路コンデンサ１１２、１２２、１３２が含まれている。これらの中間回路コンデンサ１１２、１２２、１３２は、１対１の割当てで、３つのハーフブリッジまたはパワースイッチグループ１１５、１２５、１３５に割り当てられている。各中間回路コンデンサ１１２、１２２、１３２は、関連するハーフブリッジまたはパワースイッチグループ１１５、１２５、１３５と共に、対応するサブモジュール１０２、１０４、１０６を構成する。
図２は、それぞれのサブモジュール１０２、１０４、１０６を側面図で示す。更なる実施形態によれば、中間回路コンデンサ１１２、１２２、１３２は、基板１４０上に載置して配置されている。この場合、中間回路コンデンサ１１２、１２２、１３２は、２つの接続素子１１８、１２０（例えば、ねじ接続または接着接続）を用いて基板側で基板１４０に固定されている。対応するハーフブリッジ１１５、１２５、１３５またはパワースイッチグループは、中間回路コンデンサ１１２、１２２、１３２と基板１４０との間に配置されている。基板１４０は、ダイレクトボンディングカッパー（ＤＣＢ：Direct Bonding Copper）基板を備えることができる。基板１４０は、基板１４０の中間回路コンデンサ１１２、１２２、１３２とは反対側で、ヒートシンク（図示せず）と接続することができる。
正極１４２および負極１４４を含む電流入力部は、ここでは、例示的に、中間回路コンデンサ１１２、１２２、１３２の上側に配置されている。しかしながら、これは本発明を限定するものではない。電流入力部を別の位置とすることが考慮可能である。電流出力部１４６は、基板１４０に固定されている。
図３には、３つのサブモジュール１０２、１０４、１０６を備えるパワーモジュール１０の全体が示されている。サブモジュール１０２、１０４、１０６は、実質的に同一に構成され、長手方向に沿って相互に離間する。好適には、３つの基板１４０は、実質的に１つの平面にある。
図４は、それぞれのサブモジュール１０２、１０４、１０６を更なる側面図で示す。図２に示される構成要素に加えて、ここでは、制御プレート１４８が見られる。制御プレート１４８は、電子部品および電気ライン、ならびに信号ライン（図示せず）を含む。これらを用いて、対応するハーフブリッジ１１５、１２５、１３５のゲート電極を制御することができる。好適には、制御プレート１４８は、基板１４０に対して垂直に延在する。制御プレート１４８は、基板１４０の一端に配置されている。電流出力部１４６は、制御プレート１４８とは反対側の基板１４０の端部に配置され、基板１４０の端部側を越えて突出する。
１０ パワーモジュール
１０２、１０４、１０６ サブモジュール
１１２、１２２、１３２ 中間回路コンデンサ
１１４、１２４、１３４ ローサイドスイッチ
１１５、１２５、１３５ パワースイッチグループ
１１６、１２６、１３６ ハイサイドスイッチ
１１８、１２０ 接続素子
１４０ 基板
１４２、１４４ 電流入力部
１４６ 電流出力部
１４８ 制御プレート

Claims (11)

  1. 電動車駆動を作動させるパワーモジュール（１０）であって、
    供給される入力電流に基づいて出力電流を生成する複数のパワースイッチ（１１４、１１６、１２４、１２６、１３４、１３６）であって、複数の前記パワースイッチ（１１４、１１６、１２４、１２６、１３４、１３６）は複数のグループ（１１５、１２５、１３５）を備え、複数の前記グループ（１１５、１２５、１３５）は、それぞれ、相互に直列に接続された２つのパワースイッチ（１１４、１１６；１２４、１２６；１３４、１３６）を含む、複数のパワースイッチ（１１４、１１６、１２４、１２６、１３４、１３６）と、
    前記パワースイッチ（１１４、１１６、１２４、１２６、１３４、１３６）に並列に接続されている中間回路コンデンサアセンブリと、を備え、
    前記中間回路コンデンサアセンブリは、複数の中間回路コンデンサ（１１２、１２２、１３２）を含み、前記中間回路コンデンサ（１１２、１２２、１３２）は、それぞれ、前記パワースイッチ（１１４、１１６、１２４、１２６、１３４、１３６）の複数の前記グループのうちの１つのグループ（１１５、１２５、１３５）に割り当てられ、前記グループ（１１５、１２５、１３５）のそれぞれと共にサブモジュール（１０２、１０４，１０６）を構成する、パワーモジュール（１０）。
  2. 請求項１に記載のパワーモジュール（１０）であって、前記パワースイッチ（１１４、１１６、１２４、１２６、１３４、１３６）の複数の前記グループ（１１５、１２５、１３５）は、相互に並列に接続され、複数の前記中間回路コンデンサ（１１２、１２２、１３２）は、それぞれ、前記パワースイッチ（１１４、１１６、１２４、１２６、１３４、１３６）の関連するグループ（１１５、１２５、１３５）に並列に接続されている、パワーモジュール（１０）。
  3. 請求項２に記載のパワーモジュール（１０）であって、前記サブモジュールのうちの少なくとも１つのサブモジュール（１０２、１０４、１０６）において、関連する中間回路コンデンサ（１１２、１２２、１３２）は、前記パワースイッチ（１１４、１１６、１２４、１２６、１３４、１３６）に直接に隣接して並列接続で配置されている、パワーモジュール（１０）。
  4. 請求項２または３に記載のパワーモジュール（１０）であって、前記サブモジュール（１０２、１０４、１０６）のそれぞれにおいて、前記パワースイッチ（１１４、１１６、１２４、１２６、１３４、１３６）の前記グループ（１１５、１２５、１３５）のそれぞれと、前記グループ（１１５、１２５、１３５）に割り当てられた中間回路コンデンサ（１１２、１２２、１３２）とは、空間的に相互に分離された１つまたは複数の基板（１４０）に配置されている、パワーモジュール（１０）。
  5. 請求項４に記載のパワーモジュール（１０）であって、複数の前記基板（１４０）は、実質的に１つの平面の上にある、パワーモジュール（１０）。
  6. 請求項４または５に記載のパワーモジュール（１０）であって、複数の前記基板（１４０）は、実質的に長手方向に沿って連続して配置されている、パワーモジュール（１０）。
  7. 請求項４〜６の何れか一項に記載のパワーモジュール（１０）であって、前記中間回路コンデンサ（１１２、１２２、１３２）は、それぞれ、各中間回路コンデンサ（１１２、１２２、１３２）が前記パワースイッチ（１１４、１１６、１２４、１２６、１３４、１３６）の関連する前記グループ（１１５、１２５、１３５）を覆うように、関連する基板（１４０）の上に配置されている、パワーモジュール（１０）。
  8. 請求項４〜７の何れか一項に記載のパワーモジュール（１０）であって、制御プレート（１４８）は、各基板（１４０）の一端に配置されて、前記パワースイッチ（１１４、１１６、１２４、１２６、１３４、１３６）の前記グループ（１１５、１２５，１３５）のそれぞれのゲート電極を制御する電子部品を備える、パワーモジュール（１０）。
  9. 請求項８に記載のパワーモジュール（１０）であって、前記制御プレート（１４８）は、前記基板（１４０）のそれぞれに対して実質的に垂直に配向されている、パワーモジュール（１０）。
  10. 請求項８または９に記載のパワーモジュール（１０）であって、前記パワースイッチを用いて入力電流に基づいて生成される出力電流を出力する電流出力接点（１４６）は、前記制御プレート（１４８）とは反対側の前記基板（１４０）のそれぞれの端部に配置されている、パワーモジュール（１０）。
  11. 請求項１〜１０の何れか一項に記載のパワーモジュール（１０）であって、入力電流を供給する電流入力接点（１４２、１４４）は、前記サブモジュールのうちの少なくとも１つのサブモジュール（１０２、１０４、１０６）の前記中間回路コンデンサ（１１２、１２２、１３２）に配置されている、パワーモジュール（１０）。
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