WO2013045321A2 - Wechselrichter für elektrische hilfs- oder fremdkraftlenkung - Google Patents

Wechselrichter für elektrische hilfs- oder fremdkraftlenkung Download PDF

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections

Definitions

  • the invention relates to an electronic inverter for the operation of an electric machine in an auxiliary or external power steering system for a motor vehicle.
  • an inverter for the operation of electrical
  • Inverter are integrally arranged on a common semiconductor chip and the chip is positioned on a substrate carrier.
  • the invention provides that an electronic switch for
  • Phase separation of the electrical machine and an electronic switch of the bridge branch are arranged on a common semiconductor chip.
  • Phase separation and the low-side switching element of the bridge branch is integrally arranged on the semiconductor chip.
  • Phase separation and the high-side switching element of the bridge branch are integrally arranged on the semiconductor chip and drain and source per semiconductor are interchanged in their arrangement.
  • the switching elements are designed as a MOSFET, wherein the drain terminal is arranged on the upper side of the semiconductor chip and the source terminal on the back side of the semiconductor chip.
  • the MOSFETs of the inverter can also be designed such that the source terminal is arranged on the upper side of the semiconductor chip and the drain terminal on the rear side of the semiconductor chip.
  • the invention provides in a further embodiment that the high-side, - low-side and phase separator switches are integrated on a common semiconductor chip, wherein the drain and source of the semiconductor chip are interchanged in their arrangement
  • the invention also relates to a control unit or a combined motor / control unit with a previously described inverter.
  • the invention also relates to an electric auxiliary or external power steering system for a motor vehicle, equipped with a previously described control unit or a combined engine / ECU unit.
  • FIG. 1 shows an inverter branch with a phase separator according to the prior art
  • FIG. 2 shows a basic structure of a semiconductor switch.
  • Fig. 2a shows the circuit diagram
  • Figure 2b shows the basic structure of the semiconductor chip.
  • FIG. 3 shows a prior art substrate layout with individual ones
  • FIG. 4 shows a substrate layout according to the invention. Identical or equivalent assemblies are given the same reference numerals in all figures:
  • phase separator MOSFET
  • G gate, D: drain, S: source
  • MOT phase connection line to a load (electric motor)
  • FIG. 1 shows an inverter branch with a phase separator according to the prior art. Shown is a branch of a phase, including a high-side
  • Switching element 10 which is connected to the positive supply voltage and a low-side switching element 1 1, which is connected to the ground.
  • Phase output MOT which is connected to a phase of the electric motor, there is an electronic phase separator 12, which, appropriately controlled, is used to separate a phase.
  • Figure 2a shows the circuit diagram of the switch and in Figure 2b, the basic structure of the corresponding semiconductor chip is shown using the example of a MOSFET.
  • the gate G and source (S) terminals are also disposed on the top, the terminal D drain is on the bottom (i.e., back) of the chip and is not explicitly shown.
  • Figure 3 shows the typical arrangement of a bridge branch with phase separator on a Subtstrat 14. Shown is the high-side switch 10, low-side switch 1 1 and the phase separator. Furthermore, on the substrate are the Connecting lines 20 to the ground and to the supply voltage U. By means of bonding wires 21, the individual semiconductor chips are contacted to the connecting lines on the substrate.
  • Figure 4 shows an arrangement according to the invention.
  • the low-side semiconductor switch 1 1 and the phase separator 12 are arranged together on a chip 13 as a one-piece component and on the substrate 14th
  • the drain terminal (D) is located on the upper side of the semiconductor chip (13) and the source terminal (S) on the back side of the semiconductor chip.
  • the invention also enables a complementary arrangement, in which case the source terminal is located on the upper side of the semiconductor chip (13) and the drain terminal is located on the rear side of the semiconductor chip.
  • MOSFETs are in both cases on top of the chip.
  • the arrangement according to the invention has the advantage that fewer semiconductor chips have to be positioned on the carrier material (substrate). This entails a considerable cost advantage through shortened production processes. Furthermore, the required area on the substrate is significantly reduced, since the otherwise required handling distance between two chips is eliminated. This allows a further cost advantage through a more compact design. Also, depending on the application, this allows a different form factor of the substrate, resulting in more

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Abstract

Wechselrichter für den Betrieb von elektrischen Maschinen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei elektronische Schalter (10, 11, 12) des Wechselrichters einteilig auf einem gemeinsamen Halbleiterchip (13) angeordnet sind und der Chip auf einem Substratträger (14) positioniert ist.

Description

Wechselrichter für elektrische Hilfs- oder Fremdkraftlenkung
Die Erfindung betrifft einen elektronischen Wechselrichter für den Betrieb einer elektrischen Maschine in einer Hilfs- oder Fremdkraftlenkung für ein Kraftfahrzeug.
Hintergrund der Erfindung
In elektrischen Servolenkungen werden unter anderem permanent erregte
Maschinen verwendet, die ein unterstützendes Lenkmoment generieren.
Im Falle einer Fehlfunktion im Wechselrichter erzeugen diese Art Motoren (Synchron- Motoren) ein störendes Bremsmoment. Zur Unterbindung des Bremsmoments werden in der Regel elektromechanische Schalter (Relais) oder neuerdings elektronische Schalter in den Zuleitungen zur elektrischen Maschine eingebracht, um eine Phasenauftrennung zu bewirken.
Gemäß der Erfindung ist ein Wechselrichter für den Betrieb von elektrischen
Maschinen vorgesehen, bei dem wenigstens zwei elektronische Schalter des
Wechselrichters einteilig auf einem gemeinsamen Halbleiterchip angeordnet sind und der Chip auf einem Substratträger positioniert ist.
Insbesondere sieht die Erfindung vor, dass ein elektronischer Schalter zur
Phasentrennung der elektrischen Maschine und ein elektronischer Schalter des Brückenzweiges auf einem gemeinsamen Halbleiterchip angeordnet sind.
Des Weiteren ist es vorgesehen, dass der elektronische Schalter zur
Phasentrennung und das Low-Side- Schaltelement des Brückzweigs einteilig auf dem Halbleiterchip angeordnet ist.
Alternativ hierzu ist es vorgesehen, dass der elektronische Schalter zur
Phasentrennung und das High-Side- Schaltelement des Brückzweigs einteilig auf dem Halbleiterchip angeordnet sind und Drain und Source je Halbleiter in ihrer Anordnung vertauscht sind. Dabei sind die Schaltelemente als MOSFET ausgeführt sind, wobei der Drain- Anschluss auf der Oberseite des Halbleiterchip und der Source- Anschluss auf der Rückseite des Halbleiterchips angeordnet ist.
Die MOSFETs des Wechselrichters können auch derart ausgebildet sein, dass der Source- Anschluss auf der Oberseite des Halbleiterchips und der Drain- Anschluss auf der Rückseite des Halbleiterchips angeordnet ist.
Demnach sieht die Erfindung in einer weiteren Ausprägung vor, daß die High-Side, - Low-Side- und Phasentrenner- Schalter auf einem gemeinsamen Halbleiterchip integriert sind, wobei der Drain und Source des Halbleiterchips in ihrer Anordnung vertauscht sind
Die Erfindung betrifft auch ein Steuergerät oder eine kombinierte Motor/- Steuergeräteeinheit mit einem zuvor beschriebenen Wechselrichter.
Die Erfindung betrifft auch eine elektrische Hilfs- oder Fremdkraftlenkung für ein Kraftfahrzeug, ausgestattet mit einem zuvor beschriebenen Steuergerät oder einer kombinierten Motor/- Steuergeräte-Einheit.
Figurenbeschreibung
Figur 1 zeigt einen Wechselrichterzweig mit einem Phasentrenner nach dem Stand der Technik
Figur 2 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines Halbleiter-Schalters. Fig. 2a zeigt das Schaltzeichen, Figur 2b den prinzipiellen Aufbau des Halbleiter-Chips.
Figur 3 zeigt ein Substrat Layout nach Stand der Technik mit einzelnen
Halbleiterschaltern.
Figur 4 zeigt ein Substrat-Layout gemäß der Erfindung. Identische oder äquivalente Baugruppen sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen:
10 = High-Side Schalter (MOSFET),
1 1 = Low-Side Schalter (MOSFET),
12 = Phasentrenner (MOSFET).
13 = gemeinsamer Chip (einteilig)
14 = Substrat, Träger der Halbeiter Chips sowie deren Zuleitungen ( in DCB oder DBC - Technologie)
20 = Leiterbahn auf Substrat
21 = Bondung mittels Bondwire
Anschlüsse:
G: Gate, D: Drain, S: Source
MOT = Phasen- Verbindungsleitung zu einer Last ( E-Motor)
0V = Masse, U = positiver Pol der Versorgungsspannung (Batterie)
Figur 1 zeigt einen Wechselrichterzweig mit einem Phasentrenner nach dem Stand der Technik. Dargestellt ist ein Zweig einer Phase, beinhaltend ein High-Side
Schaltelement 10, der mit der positiven Versorgungsspannung verbunden ist und ein Low-Side Schaltelement 1 1 , welches mit der Masse verbunden ist. Im
Phasenabgang MOT, der mit einer Phase des Elektromotors verbunden ist, befindet sich ein elektronischer Phasentrenner 12, der, entsprechend angesteuert, zur Auftrennung einer Phase eingesetzt wird.
Figur 2a zeigt das Schaltzeichen des Schalters und in Figur 2b ist der prinzipielle Aufbau des entsprechenden Halbleiter-Chips am Beispiel eines MOSFET dargestellt. Die Anschlüsse Gate G und Source (S) sind auch der Oberseite angeordnet, der Anschluss D Drain befindet sich auf der Unterseite (d.h. auf der Rückseite) des Chips und ist nicht explizit dargestellt.
Figur 3 zeigt die typische Anordnung eines Brückenzweigs mit Phasentrenner auf einem Subtstrat 14. Dargestellt ist der High-Side Schalter 10, Low-Side Schalter 1 1 und der Phasentrenner. Des Weiteren befinden sich auf dem Substrat die Verbindungsleitungen 20 zur Masse und zur Versorgungsspannung U. Mittels Bondwires 21 werden die einzelnen Halbeiterchips zu den Verbindungsleitungen auf dem Substrat kontaktiert.
Figur 4 zeigt eine Anordnung gemäß der Erfindung.
Der Low-Side Halbleiterschalter 1 1 und der Phasentrenner 12 sind gemeinsam auf einem Chip 13 als einteiliges Bauteil angeordnet und auf dem Substrat 14
positioniert.
Im diesem Ausfühungsbeispiel befindet sich der Drain- Anschluss (D) auf der Oberseite des Halbleiterchips (13) und der Source- Anschluss (S) auf der Rückseite des Halbleiterchips. Die Erfindung ermöglicht auch eine komplementäre Anordnung, hierbei befindet sich der Source- Anschluss auf der Oberseite des Halbleiterchips (13) und der Drain- Anschluss auf der Rückseite des Halbleiterchips.
Diese Variante ist nicht explizit dargestellt. Der Steueranschluss (Gate) des
MOSFETs befindet sich in beiden Fällen auf der Oberseite des Chips.
Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, dass weniger Halbleiterchips auf dem Trägermaterial (Substrat) positioniert werden müssen. Dies birgt einen erheblichen Kostenvorteil durch verkürzte Fertigungsprozesse in sich. Des Weiteren wird die benötigte Fläche auf dem Substrat deutlich reduziert, da der ansonsten erforderliche Handlingabstand zwischen zwei Chips entfällt. Dies ermöglicht einen weiteren Kostenvorteil durch ein kompakteres Design. Auch ermöglicht dies je nach Anwendung einen anderen Formfaktor des Substrats, wodurch sich weitere
Kostenvorteile ergeben. Des Weiteren können Arbeitsschritte hinsichtlich der Vor- und Nachbearbeitung des Wafers eingespart werden, insbesondere bei und nach seiner Trennung mittels Sägen.

Claims

Ansprüche
1 . ) Wechselrichter für den Betrieb von elektrischen Maschinen, dadurch
gekennzeichnet, dass wenigstens zwei elektronische Schalter (10, 1 1 , 12) des Wechselrichters einteilig auf einem gemeinsamen Halbleiterchip (13) angeordnet sind und der Chip auf einem Substratträger (14) positioniert ist.
2. ) Wechselrichter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein
elektronischer Schalter (12) zur Phasentrennung einer Phase der elektrischen Maschine und ein elektronischer Schalter (10, 1 1 ) des Brückenzweiges auf einem gemeinsamen Halbleiterchip (13) angeordnet sind.
3. ) Wechselrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
elektronische Schalter (12) zur Phasentrennung und das Low-Side- Schaltelement (1 1 ) des Brückzweigs einteilig auf dem Halbleiterchip (13) angeordnet sind.
4. ) Wechselrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
elektronische Schalter (12) zur Phasentrennung und das High-Side- Schaltelement (10) des Brückzweigs einteilig auf dem Halbleiterchip (13) angeordnet sind und Drain und Source je Halbleiter in ihrer Anordnung vertauscht sind.
5. ) Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die High- Side, - Low-Side- und Phasentrenner- Schalter auf einem gemeinsamen
Halbleiterchip (13) integriert sind, wobei der Drain (D) und Source (S) des
Halbleiterchips in ihrer Anordnung vertauscht sind
6. ) Wechselrichter nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente als MOSFET ausgeführt sind, wobei der Drain- Anschluss (D) auf der Oberseite des Halbleiterchips (13) und der Source- Anschluss (S) auf der Rückseite des Halbleiterchips (13) angeordnet ist.
7. ) Wechselrichter nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente als MOSFET ausgeführt sind, wobei der Source- Anschluss (S) auf der Oberseite des Halbleiterchips (13) und der Drain- Anschluss (D) auf der Rückseite des Halbleiterchips angeordnet ist.
8. ) Steuergerät oder kombinierte Motor/- Steuergeräteeinheit, dadurch
gekennzeichnet, dass sie einen Wechselrichter nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6.
9. ) Elektrische Hilfs- oder Fremdkraftlenkung für ein Kraftfahrzeug, ausgestattet mit einem Steuergerät oder einer kombinierten Motor/- Steuergeräte-Einheit nach Anspruch 8.
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