WO2015149987A1 - Treiberbaugruppe - Google Patents

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WO2015149987A1
WO2015149987A1 PCT/EP2015/053467 EP2015053467W WO2015149987A1 WO 2015149987 A1 WO2015149987 A1 WO 2015149987A1 EP 2015053467 W EP2015053467 W EP 2015053467W WO 2015149987 A1 WO2015149987 A1 WO 2015149987A1
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semiconductor switches
driver assembly
semiconductor
plane
switches
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PCT/EP2015/053467
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Jorg Jahn
Thomas Erdmann
Ajoy Palit
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Lemförder Electronic GmbH
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
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    • HELECTRICITY
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    • HELECTRICITY
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    • H02P27/00Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
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    • H02P27/06Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters

Definitions

  • the invention relates to a driver assembly.
  • the invention relates to the dissipation of heat from elements of the driver assembly.
  • a control device for example, onboard a motor vehicle, is configured to provide a current or voltage to control a connected load.
  • a three-phase AC voltage may be provided to control the direction of rotation and rotational speed of a connected electric motor.
  • a driver assembly includes a plurality of semiconductor switches to provide the required current or voltage.
  • the semiconductor switches are usually not lossless, so heat must be dissipated by them.
  • the semiconductor switches are usually arranged in a row or in a matrix form. In this case, semiconductor switches, which are located in outer regions of the arrangement, cooled better than further inside semiconductor switch. Due to the different temperatures, the semiconductor switches can be electrically loaded differently, so that the total electrical load of the driver assembly can be reduced.
  • the semiconductor switches can also age different degrees or fast, so that their failure probabilities are different. The probability of failure of the entire driver module can thereby be increased.
  • supply lines to the semiconductor switches can be of different lengths, which may adversely affect electromagnetic compatibility (EMC), impedance or voltage drop in the supply line.
  • EMC electromagnetic compatibility
  • a driver assembly according to the invention comprises a plurality of semiconductor switches, which are arranged in a plane such that distances between adjacent semiconductor switches in the plane are equal in size and each semiconductor switch has the same number of adjacent semiconductor switches.
  • the semiconductor switches may comprise, for example, bipolar transistors, field-effect transistors, MOSFETs, thyristors, switching diodes or IGBTs.
  • the semiconductor switches are preferably discrete components that can be individually positioned in the plane. If each semiconductor switch emits the same thermal power, the same temperatures can be set on the semiconductor switches. A thermal energy input at the location of a semiconductor switch, due to adjacent semiconductor switches is due to their arrangement for all semiconductor switches the same size. The same temperatures can mean equal aging, equal loadings or equal failure probabilities for the semiconductor switches. The driver assembly can thereby be more reliable or resilient.
  • the semiconductor switches are evenly distributed on a circular line.
  • the arrangement of the semiconductor switches in the plane may be rotationally symmetric about a predetermined point. It is further preferred that this is an n-fold rotational symmetry, where n is the number of semiconductor switches used.
  • spacings between the semiconductor switches are defined as the smallest distances from points of their outlines in the plane.
  • a dot may be distinguished on each semiconductor switch, the distance between two semiconductor switches being defined as the distance between the associated dots.
  • the excellent point may be, for example, a geometric center or a point that is most heated during operation of the semiconductor switch.
  • the position of a semiconductor switch may be indicated by the position of the designated point.
  • the distinguished points have the described relative distances, with rotational orientations of the Semiconductor switch in the plane can be freely selected. As a result, electrical supply lines to the semiconductor switches can advantageously be made short or with little crossing.
  • the rotational orientations of the semiconductor switches to each other or with respect to a reference point of importance can in particular be aligned uniformly with respect to each other.
  • a direction can be predetermined at each semiconductor switch, which preferably runs through the above-mentioned excellent point.
  • the directions of the semiconductor switches may be parallel to each other or angles including the directions with a common point may be the same for all semiconductor switches.
  • the driver assembly is at least comprised of a multi-phase inverter.
  • a multi-phase inverter usually comprises a plurality of half bridges, each with two semiconductor switches.
  • the polyphase inverter may be arranged in particular for controlling a polyphase electric motor.
  • the inverter may in particular be provided on board a motor vehicle, for example for a steering or brake assistance, an electric rear axle steering, an electrical height adjustment (leveling-by-wire) and for electric drives.
  • the inverter can be provided for two-wheelers, which usually have little space.
  • each of the half bridges is electrically coupled to a further semiconductor switch as a phase separator, through which the corresponding formed by the half-bridge phase can be separated.
  • a safe state can be generated in the event of a fault.
  • each of the half-bridges is electrically coupled to a further semiconductor switch as a phase separator.
  • the phase separator of the associated half-bridge in an electrical Provided downstream line. Such a phase separation can be provided in particular for an emergency running strategy, for example of an electrical steering or other type of support.
  • the at least one phase separator is arranged in a plane parallel to the semiconductor switches.
  • the at least one phase separator may be arranged on a different side of a semiconductor switch carrier element than the semiconductor switches.
  • the carrier element is preferably a circuit board.
  • the phase separators are arranged on the other side in a manner as described for the semiconductor switches.
  • the phase separators may be arranged together with the semiconductor switches in a plane in a prescribed manner.
  • phase separators and the semiconductor switches are arranged in different planes each on a circular line, wherein the circular line associated with the phase separator is surrounded in a plane passing through the plan view of the semiconductor switches associated circular line.
  • a thermal load of a carrier material of the semiconductor switch and the phase separator exhibiting carrier element can be equalized.
  • a possible temperature input to the semiconductor switches can be reduced.
  • a compact arrangement of the semiconductor switches and the phase separator is possible.
  • the circular lines have a common center axis passing through the planes. This allows a more uniform thermal load of the carrier material can be achieved.
  • a heat sink for thermal coupling to the semiconductor switches and further preferably provided with the at least one phase separator, wherein the heat sink comprises a plurality of lying in a plane contact portions for contact with the semiconductor switches and more preferably on the at least one phase separator.
  • the semiconductor switches and more preferably the at least one phase separator be cooled evenly and there may be cost advantages for material and assembly.
  • the contact portions are encompassed by a contact surface, which has the shape of a circular disk.
  • a surface of the heat sink facing the semiconductor switches, and more preferably the at least one phase separator, can thereby be formed in a simple and cost-saving manner.
  • the contact portions are encompassed by a contact surface which has the shape of a regular polygon with as many corners as semiconductor switches and more preferably arranged in the same plane phase separator abut the heat sink.
  • a cooling capacity of the heat sink can be improved.
  • the attachment of the heat sink may be facilitated by its polygonal (polygonal) shape.
  • the heat sink may further preferably be formed by a housing of a synchronous motor or alternatively flanged to the housing. The latter is particularly advantageous for a frontal mounting of the inverter along with high tightness requirements.
  • the rotary arrangement of the semiconductor switch or the phase separator is also particularly advantageous for a direct connection of the inverter to a front side or contact side of a synchronous motor.
  • contacting can take place by the shortest path by connecting the motor contacts to the carrier element or to carrier element contacts.
  • the central free space of the semiconductor device can be advantageously utilized.
  • a motor shaft end with integrated magnet can be passed through the free space by means of a hole cutout to a rotor position sensor, which is for example a Hall sensor and further preferably is arranged on a parallel to the support member further support member or board, a rotation angle to detect.
  • the semiconductor switches, and more preferably the at least one phase separator comprise surface mounted devices, wherein the semiconductor switches, and more preferably the at least one phase separator, are electrically contacted by conductive traces and the heat sink is external to the plane lying projection for thermal coupling with at least one conductor track summarizes.
  • the printed conductor can additionally be cooled, so that a "not spot" in the area of the driver assembly can be avoided in an improved manner
  • the semiconductor switches and more preferably the at least one phase separator can be arranged in any surface-mountable housings, wherein in a particularly preferred embodiment Embodiment DirectFETs are used.
  • each half-bridge is associated with a short-circuiting switch, which is electrically coupled to a line path which electrically interconnects the two semiconductor switches of the half-bridge, the short-circuiting switches being electrically connected to one another.
  • a short circuit switch for example, an electric motor for use as a generator can be braked.
  • deceleration up to a standstill of an electric motor can be the result of a safety requirement which, in the event of a fault, requires a severe or blocking motor system, which preferably corresponds to a safe state.
  • a safety requirement or such a phase short circuit can be advantageously used for active rear wheel steering systems.
  • the shorting switch is a MOSFET or a DirectFET. More preferably, the short-circuiting switches are arranged in a manner described above relating to the semiconductor switches or phase separators, and more preferably coupled to a heat sink. This arrangement and coupling is particularly recommended if the short-circuiting switches are to be cooled. Otherwise, as described above arrangement of the short circuit switch, which are preferably arranged in a different plane than the semiconductor switches, not mandatory.
  • conductor tracks for the electrical connection of terminals of the semiconductor switches have substantially equal surfaces. Due to the specified arrangement of the semiconductor switches in the plane, it is possible to design the electrical connections geometrically similar. In particular, it is preferred that the interconnects to the different semiconductor switches are substantially the same length, the same width and the same thickness. Electrical characteristics ka such as an electrical resistance, an impedance or an effect on electromagnetic interference fields can correspond to each other. Furthermore, the currents of the individual phases can be adapted to each other. Furthermore, the lowest possible EMC emission can be achieved. If the semiconductor switches are electrically charged uniformly, thermal powers in the region of the printed conductors can also correspond to one another. These preferred embodiments of printed conductors are preferably applicable to printed conductors for electrically connecting terminals of the phase separator (s) and / or the short-circuiting switches.
  • the driver assembly comprises a predetermined number of semiconductor switches, each semiconductor switch being associated with one of at least two of the driver assemblies described above.
  • the semiconductor switches of the driver assembly can also be arranged in two or more groups, wherein the described AnOrdnungsvorschriften apply to each group.
  • the two groups can be arranged in one plane or in different planes. In one embodiment, the levels of the groups are parallel to each other.
  • a redundant inverter circuit with phase separator or short-circuit switch can be provided according to one of the above-described embodiments.
  • FIG. 1 shows an arrangement of semiconductor switches of a driver assembly
  • FIG. 2 shows an alternative arrangement of the semiconductor switches of FIG. 1;
  • Figure 3 is a circuit diagram of a three-phase inverter in the arrangement of Figure 1;
  • Figure 4 is a circuit diagram of a three-phase inverter shown in the arrangement of Figure 1 with phase separator in the arrangement of Figure 1
  • Figure 5 is a circuit diagram of a three-phase inverter shown in the arrangement of Figure 1 with shorting switch
  • FIG. 6 is a side view of an embodiment of the driver assembly of FIG.
  • FIG. 7 shows a representation of temperatures at the three-phase inverter of FIG. 3
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a driver module 100.
  • the driver module 100 comprises a number of semiconductor switches 105, wherein in FIG. 1, purely by way of example, six semiconductor switches 105 are provided.
  • the semiconductor switches 105 are of the same type and arranged in a plane 1 10 two-dimensional. In this case, the arrangement is such that each semiconductor switch 105 has the same number of adjacent semiconductor switches 105 and distances between adjacent semiconductor switches 105 are the same in each case.
  • the semiconductor switches 105 are equally distributed on a circular line 1 15 about a center 120.
  • the semiconductor switch 105 are thus offset on the circular line 1 15 by 60 ° to each other. This arrangement has a 6-fold rotational symmetry with respect to the center point 120.
  • the arrangement of the semiconductor switch 105 is selected so that a common heat sink 125 for thermal coupling to the semiconductor switches 105 may have a contact surface 130 which is rotationally symmetric to the center 120 and parallel to the plane 1 10.
  • the contact surface 130 of the heat sink 125 has the shape of a circular disk;
  • the contact surface 130 may also have the shape of a regular polygon, wherein it is preferred that the number of corners corresponds to the number of applied semiconductor switches 105.
  • the arrangement of the semiconductor switch 105 is selected mainly for thermal reasons. Small errors or tolerances in the arrangement of the semiconductor switches 105 can therefore be generally accepted. Is an increased precision of Orientation is required, so at each semiconductor switch 105, a point 135 be distinguished, with respect to which the positions or distances between the semiconductor switches 105 are sized.
  • each of the designated locations corresponds to a geometric center of the surface of the semiconductor switches, and the designated locations 135 are respectively on the circle 15, where distances between the locations 135 of adjacent semiconductor switches 105 adjacent to each other are equal .
  • the spacings of the semiconductor switches 105 are defined with respect to each other with respect to smallest distances of their outlines in the plane. In the illustrated embodiment, rotational orientations of the semiconductor switches 105 to each other in the plane 1 10 are selected differently.
  • each semiconductor switch 105 with respect to the center 120 is also taken into account. This may be useful, for example, if outlines of the semiconductor switch 105 in the plane 1 10 are different from those shown in Figure 1 elongated.
  • a direction 140 may be predetermined on the semiconductor switch 105, which direction preferably extends from the designated position 135.
  • the directions 140 may be aligned with each other in other ways, such as by the directions 140 being parallel or in pairs perpendicular to each other.
  • each semiconductor switch 105 has exactly two adjacent semiconductor switch 105, namely a right and a left on the circle 1 15. Further away semiconductor switch 105, between which on the circle line 15 1 another semiconductor switch 105, are considered not adjacent.
  • distances between non-contiguous semiconductor switches are at least 1.5 times the spacing between adjacent semiconductor switches 105. This condition can be used to ensure that the influence of heat of a semiconductor switch 105 on a non-adjacent semiconductor switch 105. conductor switch 105 is negligibly small. In the illustrated embodiment of six semiconductor switches 105 on the circle line 15, non-adjacent semiconductor switches 105 are, for example, at least 1.7 times as far apart from each other as adjacent semiconductor switches 105.
  • FIG. 2 shows an alternative arrangement of the semiconductor switches 105 of the driver assembly 100 of FIG.
  • a first group 205 and a second group 210 are formed, each comprising a plurality of semiconductor switches 105 of the driver assembly 100.
  • three semiconductor switches 105 are present in each group 205, 210.
  • the semiconductor switches 105 are arranged according to the specifications which were explained above with reference to the arrangement of FIG.
  • each group 205, 210 is associated with a separate heat sink 125;
  • a single heat sink 125 may be used if all the semiconductor switches 105 are in the same plane 110.
  • the semiconductor switches 105 may also be in parallel planes 110, with the heat sinks 125 each extending in the direction away from the other plane 110.
  • the semiconductor switches 105 of the first group 205 may be disposed on the top and the semiconductor switches 105 of the second group 210 may be disposed on the underside of a circuit board to which the semiconductor switches 105 are mechanically and electrically attached, with the heat sinks 125 in opposite directions from the board extend away.
  • Figure 3 shows a circuit diagram of a three-phase inverter 300.
  • the representation is hybrid, by the semiconductor switch 105 and its compounds are shown as a circuit diagram, while the arrangement of the semiconductor switch 105 is to be interpreted geometrically.
  • the illustrated embodiment is based on the example of FIG. 1. Elements of the three-phase inverter 300 that go beyond the driver board 100 are not shown.
  • a first supply line 305 with a high potential and a second supply line 310 with a low potential are connected.
  • Two semiconductor switches 105 each form a half-bridge between the leads 305 and 310. taps of the half bridges are led out as output lines 315 to 325.
  • a three-phase electric motor can be connected, whose torque, speed or direction of rotation can be controlled by appropriately driving the semiconductor switch 105.
  • Such an electric motor can be used, for example, for control tasks on board a motor vehicle, for example in a steering or brake assistance.
  • the connections between the semiconductor switches 105 are not shown without crossing, it can be seen that the leads 305, 310 and output leads 315 through 325 can be made geometrically similar.
  • the lengths of corresponding lines 305 to 325 may correspond to each other. In this case, only the parts of the lines 305 to 325 are taken into account, which lie in a radius around the center, not shown, 120, wherein the perimeter touches each of the radially outermost points of the semiconductor switch 105.
  • FIG. 4 and FIG. 5 each show a circuit diagram of a three-phase inverter 300 extended by a phase separation circuit or a short circuit.
  • the illustration is equivalent to FIG. 3, and therefore the semiconductor switch 105 is referenced to FIG referenced section.
  • FIG. 4 shows in particular the three-phase inverter 300 with a phase separation circuit comprising three further semiconductor switches 106 designed as phase separators, which are each assigned to a half bridge consisting of two semiconductor switches 105 and electrically coupled thereto.
  • the phase separators 106 are arranged in a plane parallel to the plane comprising the arrangement of the semiconductor switches 105.
  • the phase separators 106 are disposed on a different side of a board than the semiconductor switches 105.
  • the respective phase separator 106 is electrically coupled to the corresponding half-bridge via the first 315 or second 320 or third output line 325 assigned to the respective half-bridge.
  • the phase separator 106 is thus provided downstream of the respective half-bridge.
  • the arrangement of the phase separator 106 takes place in a manner corresponding to the arrangement of the semiconductor switch 105 described above Way, wherein the phase separators 106 are arranged in a plan view of the planes on an identical circular line as the semiconductor switch 105, wherein a phase separator 106 between two adjacent semiconductor switches 105 is arranged.
  • the phase separators 106 are arranged on a circular line which lies in a plan view of the arrangement levels within the circular line having the semiconductor switches 105.
  • a circuit board including the semiconductor switches 105 and the phase separators 106 may be further equalized in terms of thermal stress.
  • FIG. 5 shows in particular the three-phase inverter 300 with a short-circuit comprising three further semiconductor switches 107 designed as short-circuiting switches, which are each assigned to a half-bridge consisting of two semiconductor switches 105 and are electrically coupled to this and to each other.
  • the short-circuiting switches 107 are arranged in a plane parallel to the plane comprising the arrangement of the semiconductor switches 105.
  • the phase separators 107 are disposed on a different side of a board than the semiconductor switches 105.
  • the respective short-circuit switch 107 is electrically coupled to the line connecting the two semiconductor switches 105 forming a half-bridge and to the other short-circuit switches 107 via a common connecting line 330.
  • the short-circuit switch 107 is thus provided downstream of the semi-bridge forming semiconductor switches 105.
  • the respective short-circuit switch 107 is arranged near its connection point for connection to the respective line in order to use the shortest possible connecting lines.
  • the arrangement of the short-circuiting switch 107 may according to another preferred, not shown embodiment in one of the arrangement of the phase separator 106 corresponding manner described above, if, for example, a cooling of the short-circuit switch 107 should be required.
  • FIG. 6 shows a side view of an embodiment of the driver assembly 100 of FIG. 1.
  • a circuit board 400 has a top 405 and a bottom 410. On top 405, one or more tracks 415 extend electrically are connected to the semiconductor switch 105.
  • the semiconductor switch 105 is surface-mounted and is also located on the top 405 of the board 400th
  • a contact portion 420 of the contact surface 130 of the heat sink 125 abuts against a contact surface 425 of the semiconductor switch 105 facing away from the circuit board 400 in order to produce a thermal coupling.
  • electrical insulation or height compensation can be provided between the contact surface 425 and the contact portion 420, a planteleitpad, a thermal paste, a mica screen or other element which preferably has a good heat transfer at preferably the lowest possible electrical conductivity.
  • the heat sink 125 may include a projection 430 that lies outside the plane 110 that includes the contact portion 420.
  • the protrusion 430 extends toward the board 400 and is thermally coupled to the track 415.
  • a conductor track 415 is thermally connected, which comprises a feed line or output line 305 to 325; however, a control line may also be included.
  • between the projection 430 and the track 415 may be provided an element for height compensation, to improve the heat conduction or electrical insulation.
  • FIG. 7 shows in the upper area a representation of temperatures on a circular arrangement of six semiconductor switches 105, which in the present example are used as driver subassembly 100 for the three-phase inverter 300 of FIG.
  • a known rectangular arrangement of semiconductor switches 105 is shown.
  • the semiconductor switches 105 are turned on and off at substantially the same frequencies and duty ratios, so that each semiconductor switch 105 converts practically the same electric power into heat output. Shown is a plan view of the plane 1 10. The semiconductor switches 105 are on their tops in contact with a heat sink 125. Geometric areas whose temperatures fall within a common area are together shown men fatigued, with exemplary mean values of the temperature ranges are numerically entered in ° C.
  • each semiconductor switch 105 includes only a few temperature ranges and that the surfaces of the semiconductor switches 105 have substantially the same temperature ranges.
  • the temperature load of each semiconductor switch 105 and the temperature loads of all semiconductor switches 105 are therefore highly homogeneous. Thereby, aging and failure probabilities of the semiconductor switches 105 of the driver assembly 100 may be substantially equal over their operating times.
  • the semiconductor switches 105 can thereby be dimensioned improved to a predetermined electrical load. This can be advantageous in particular in a safety-critical application, such as in the control of a servomotor, for example for steering or brake assistance on board a motor vehicle.
  • the temperatures at the surfaces of the semiconductor switches 105 are higher overall.
  • the surfaces of the semiconductor switches 105 each include more temperature ranges that are further apart.
  • the semiconductor switches 105 have highly different highest and lowest temperatures. It is expected that the highest temperature load semiconductor switch 105 ages fastest and has the highest probability of failure. However, the aging and probability of failure of each semiconductor switch 105 is difficult to determine due to the large temperature gradients on the surfaces of the semiconductor switches 105, so that the durability of the arrangement shown may be subject to great uncertainty. Furthermore, less power can be permanently switched through this inverter arrangement, since reaching the limit temperature of a single semiconductor switch 105 defines the shutdown or degradation limit of the entire assembly. REFERENCE CHARACTERS

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Abstract

Eine Treiberbaugruppe (100) umfasst mehrere Halbleiterschalter (105), die derart in einer Ebene (110) angeordnet sind, dass Abstände zwischen benachbarten Halbleiterschaltern in der Ebene jeweils gleich groß sind und jeder Halbleiterschalter die gleiche Anzahl benachbarter Halbleiterschalter aufweist.

Description

Treiberbauqruppe
Die Erfindung betrifft eine Treiberbaugruppe. Insbesondere betrifft die Erfindung die Abführung von Wärme von Elementen der Treiberbaugruppe.
Ein Steuergerät, beispielsweise an Bord eines Kraftfahrzeugs, ist dazu eingerichtet, einen Strom oder eine Spannung bereitzustellen, um einen angeschlossenen Verbraucher zu steuern. Beispielsweise kann eine Dreiphasen-Wechselspannung bereitgestellt werden, um die Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit eines angeschlossenen Elektromotors zu steuern.
Eine Treiberbaugruppe umfasst mehrere Halbleiterschalter, um den benötigten Strom bzw. die benötigte Spannung bereitzustellen. Die Halbleiterschalter arbeiten üblicherweise nicht verlustfrei, sodass Wärme von ihnen abgeführt werden muss. Um Zuleitungen zu den Halbleiterschaltern möglichst kurz und direkt zu führen und mittels eines gemeinsamen Kühlkörpers kühlen zu können, sind die Halbleiterschalter üblicherweise in einer Reihe oder matrixförmig angeordnet. Dabei werden Halbleiterschalter, die in Außenbereichen der Anordnung liegen, besser gekühlt als weiter innen liegende Halbleiterschalter. Durch die unterschiedlichen Temperaturen können die Halbleiterschalter elektrisch unterschiedlich belastbar sein, sodass die elektrische Gesamtbelastbarkeit der Treiberbaugruppe reduziert sein kann. Die Halbleiterschalter können auch unterschiedlich stark bzw. schnell altern, sodass ihre Ausfallwahrscheinlichkeiten unterschiedlich sind. Die Ausfallwahrscheinlichkeit der gesamten Treiberbaugruppe kann dadurch erhöht sein. Außerdem können Zuleitungen zu den Halbleiterschaltern unterschiedlich lang sein, wodurch eine elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), eine Impedanz oder ein Spannungsabfall im Bereich der Zuleitungen negativ beeinflusst sein kann.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Treiberbaugruppe anzugeben. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels einer Treiberbaugruppe mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder. Eine erfindungsgemäße Treiberbaugruppe umfasst mehrere Halbleiterschalter, die derart in einer Ebene angeordnet sind, dass Abstände zwischen benachbarten Halbleiterschaltern in der Ebene jeweils gleich groß sind und jeder Halbleiterschalter die gleiche Anzahl benachbarter Halbleiterschalter aufweist.
Die Halbleiterschalter können beispielsweise Bipolartransistoren, Feldeffekttransistoren, MOSFETs, Thyristoren, Schaltdioden oder IGBTs umfassen. Die Halbleiterschalter sind bevorzugterweise diskrete Bauelemente, die einzeln in der Ebene positioniert werden können. Gibt jeder Halbleiterschalter die gleiche thermische Leistung ab, so können sich an den Halbleiterschaltern gleiche Temperaturen einstellen. Ein thermischer Energieeintrag am Ort eines Halbleiterschalters, aufgrund von benachbarten Halbleiterschaltern, ist, bedingt durch ihre Anordnung für alle Halbleiterschalter gleich groß. Durch die gleichen Temperaturen können gleiche Alterungen, gleiche Belastbarkeiten oder gleiche Ausfallwahrscheinlichkeiten für die Halbleiterschalter gelten. Die Treiberbaugruppe kann dadurch zuverlässiger oder belastbarer sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Halbleiterschalter auf einer Kreislinie gleichmäßig verteilt. Anders ausgedrückt kann die Anordnung der Halbleiterschalter in der Ebene um einen vorbestimmten Punkt rotationssymmetrisch sein. Dabei ist ferner bevorzugt, dass es sich um eine n-zählige Drehsymmetrie handelt, wobei n die Anzahl der verwendeten Halbleiterschalter ist.
In einer Ausführungsform sind Abstände zwischen den Halbleiterschaltern als die geringsten Abstände von Punkten ihrer Umrisse in der Ebene definiert. In einer anderen Ausführungsform kann an jedem Halbleiterschalter ein Punkt ausgezeichnet sein, wobei der Abstand zwischen zwei Halbleiterschaltern als der Abstand zwischen den zugeordneten Punkten definiert ist. Der ausgezeichnete Punkt kann beispielsweise ein geometrischer Mittelpunkt oder ein im Betrieb des Halbleiterschalters am stärksten erwärmter Punkt sein. Die Position eines Halbleiterschalters kann durch die Position des ausgezeichneten Punkts angegeben sein.
In einer Ausführungsform genügt es, wenn die ausgezeichneten Punkte die beschriebenen relativen Abstände aufweisen, wobei rotatorische Ausrichtungen der Halbleiterschalter in der Ebene frei gewählt werden können. Dadurch können elektrische Zuleitungen zu den Halbleiterschaltern vorteilhaft kurz oder kreuzungsarm geführt werden.
In einer anderen Ausführungsform sind die rotatorischen Ausrichtungen der Halbleiterschalter zueinander oder bezüglich eines Referenzpunkts von Bedeutung. Die Halbleiterschalter können insbesondere gleichmäßig zueinander ausgerichtet sein. Dazu kann an jedem Halbleiterschalter eine Richtung vorgegeben sein, die vorzugsweise durch den oben erwähnten ausgezeichneten Punkt verläuft. Beispielsweise können die Richtungen der Halbleiterschalter parallel zueinander verlaufen oder Winkel, die die Richtungen mit einem gemeinsamen Punkt einschließen, können für alle Halbleiterschalter gleich sein. So kann eine gleichmäßige Wärmeverteilung innerhalb der Treiberbaugruppe insbesondere dann verbessert werden, wenn die Halbleiterschalter nicht ausreichend genau als radialsymmetrische Wärmequellen modelliert werden können.
Es ist weiter bevorzugt, dass mindestens sechs Halbleiterschalter vorgesehen sind, wobei die Treiberbaugruppe wenigstens von einem Mehrphasen-Wechselrichter um- fasst ist. Ein solcher Wechselrichter umfasst üblicherweise mehrere Halbbrücken mit jeweils zwei Halbleiterschaltern. Der Mehrphasen-Wechselrichter kann insbesondere zum Steuern eines Mehrphasen-Elektromotors eingerichtet sein. Der Wechselrichter kann insbesondere an Bord eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sein, beispielsweise für eine Lenk- oder Bremsunterstützung, eine elektrische Hinterachslenkung, eine elektrischen Höhenverstellung (Levelling-by-Wire) sowie für elektrische Antriebe. Ferner kann der Wechselrichter für Zweiräder vorgesehen sein, die üblicherweise über wenig Bauraum verfügen.
Vorzugsweise ist wenigstens eine der Halbbrücken mit einem weiteren Halbleiterschalter als Phasentrenner elektrisch gekoppelt, durch welche die entsprechende durch die Halbbrücke ausgebildete Phase auftrennbar ist. Dadurch kann im Fehlerfall ein sicherer Zustand erzeugt werden. Weiter bevorzugt ist jede der Halbbrücken mit einem weiteren Halbleiterschalter als Phasentrenner elektrisch gekoppelt. Weiterhin bevorzugt ist der Phasentrenner der zugeordneten Halbbrücke in einem elektrischen Leitungsweg nachgeordnet vorgesehen. Eine solche Phasentrennung kann insbesondere für eine Notlaufstrategie beispielsweise einer elektrischen Lenkungs- oder andersartigen Unterstützung vorgesehen sein.
Es ist weiter bevorzugt, dass der wenigstens eine Phasentrenner in einer zu den Halbleiterschaltern parallelen Ebene angeordnet ist. Beispielsweise kann der wenigstens eine Phasentrenner auf einer anderen Seite eines Halbleiterschalter-Trägerelements als die Halbleitschalter angeordnet sein. Das Trägerelement ist vorzugsweise eine Platine. Es ist weiter bevorzugt, dass, sofern mehr als ein Phasentrenner vorgesehen ist, die Phasentrenner auf der anderen Seite in einer wie für die Halbleiterschalter vorbeschriebenen Weise angeordnet sind. Alternativ dazu können die Phasentrenner zusammen mit den Halbleiterschaltern in einer Ebene in einer vorbeschriebenen Weise angeordnet sein. Somit lassen sich jeweils die gleichen vorbeschriebenen Vorteile für die Phasentrenner erreichen.
Es ist weiter bevorzugt, dass die Phasentrenner und die Halbleiterschalter in unterschiedlichen Ebenen jeweils auf einer Kreislinie angeordnet sind, wobei die den Phasentrenner zugeordnete Kreislinie in einer durch die Ebenen gehenden Draufsicht von der den Halbleiterschaltern zugeordnete Kreislinie umgeben ist. Dadurch kann eine thermische Belastung eines Trägermaterials eines die Halbleiterschalter und die Phasentrenner aufweisendes Trägerelements entzerrt werden. Ferner kann ein möglicher Temperatureintrag auf die Halbleiterschalter verringert werden. Des Weiteren ist eine kompakte Anordnung der Halbleiterschalter und der Phasentrenner möglich. Weiter bevorzugt weisen die Kreislinien eine durch die Ebenen gehende gemeinsame Mittelpunktachse auf. Damit kann eine gleichmäßigere thermische Belastung des Trägermaterials erreicht werden.
Bevorzugterweise ist ferner ein Kühlkörper zur thermischen Kopplung mit den Halbleiterschaltern und weiter bevorzugt mit dem wenigstens einen Phasentrenner vorgesehen, wobei der Kühlkörper mehrere in einer Ebene liegende Kontaktabschnitte zur Anlage an den Halbleiterschaltern und weiter bevorzugt an dem wenigstens einen Phasentrenner umfasst. Durch das Verwenden eines einzigen Kühlkörpers können die Halbleiterschalter und weiter bevorzugt der wenigstens eine Phasentrenner gleichmäßig gekühlt werden und es können sich Kostenvorteile für Material und Montage ergeben.
In einer Ausführungsform sind die Kontaktabschnitte von einer Kontaktfläche um- fasst, die die Form einer Kreisscheibe aufweist. Eine den Halbleiterschaltern und weiter bevorzugt dem wenigstens einen Phasentrenner zugewandte Oberfläche des Kühlkörpers kann dadurch einfach und kostensparend ausgebildet sein. In einer anderen Ausführungsform sind die Kontaktabschnitte von einer Kontaktfläche umfasst, die die Form eines regelmäßigen Vielecks mit so vielen Ecken aufweist, wie Halbleiterschalter und weiter bevorzugt in derselben Ebene angeordnete Phasentrenner am Kühlkörper anliegen. Eine Kühlleistung des Kühlkörpers kann dadurch verbessert sein. Außerdem kann die Befestigung des Kühlkörpers durch seine polygonale (vieleckige) Form erleichtert sein. Der Kühlkörper kann weiter bevorzugt durch ein Gehäuse eines Synchronmotors ausgebildet oder alternativ an dem Gehäuse angeflanscht sein. Letzteres ist insbesondere vorteilhaft für eine stirnseitige Montage des Wechselrichters einhergehend mit hohen Dichtigkeitsanforderungen.
Die rotatorische Anordnung der Halbleiterschalter bzw. der Phasentrenner ist ferner insbesondere vorteilhaft für eine direkte Anbindung des Wechselrichters an eine Stirnseite bzw. Kontaktseite eines Synchronmotors. Dadurch kann eine Kontaktie- rung auf kürzestem Weg erfolgen, indem die Motorkontakte mit dem Trägerelement oder mit Trägerelementkontakten verbunden werden. Hierfür kann in vorteilhafter Weise der mittige Freiraum der Halbleiteranordnung ausgenutzt werden. Weiterhin bevorzugt kann auch ein Motorwellenende mit integriertem Magnet durch den Freiraum mittels eines Lochausschnitts hindurchgeführt werden, um einem Rotor- Lagesensor, welcher beispielsweise ein Hallsensor ist und weiter bevorzugt auf einem zu dem Trägerelement parallelen weiteren Trägerelement oder Platine angeordnet ist, zu ermöglichen, einen Drehwinkel zu detektieren.
In einer Ausführungsform umfassen die Halbleiterschalter und weiter bevorzugt der wenigstens eine Phasentrenner oberflächenmontierte Bauelemente, wobei die Halbleiterschalter und weiter bevorzugt der wenigstens eine Phasentrenner mittels Leiterbahnen elektrisch kontaktiert sind und der Kühlkörper einen außerhalb der Ebene liegenden Vorsprung zur thermischen Kopplung mit wenigstens einer Leiterbahn um- fasst. Dadurch kann die Leiterbahn zusätzlich gekühlt werden, sodass eine heiße Stelle („not spot") im Bereich der Treiberbaugruppe verbessert vermieden werden kann. Die Halbleiterschalter und weiter bevorzugt der wenigstens eine Phasentrenner können in beliebigen, oberflächenmontierbaren Gehäusen angeordnet sein, wobei in einer besonders bevorzugten Ausführungsform DirectFETs verwendet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist jeder Halbbrücke ein Kurzschlussschalter zugeordnet, welcher mit einem die zwei Halbleiterschalter der Halbbrücke miteinander elektrisch verbindenden Leitungsweg elektrisch gekoppelt ist, wobei die Kurzschlussschalter untereinander elektrisch verbunden sind. Mittels der Kurzschlussschalter kann beispielsweise ein Elektromotor zur Verwendung als Generator abgebremst werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Abbremsung bis hin zu einem Stillstand eines Elektromotors Folge einer Safety-Anforderung sein, welche im Fehlerfall eine schwergehende oder blockierende Motorik verlangt, welches vorzugsweise einem sicheren Zustand entspricht. Beispielsweise kann eine solche Safety-Anforderung bzw. ein solcher Phasenkurzschluss für aktive Hinterradlenkungen in vorteilhafter Weise verwendet werden.
Vorzugsweise ist der Kurzschlussschalter ein MOSFET oder ein DirectFET. Weiter bevorzugt sind die Kurzschlussschalter in einer die Halbleiterschalter bzw. Phasentrenner betreffenden vorbeschriebenen Weise angeordnet und weiter bevorzugt mit einem Kühlkörper gekoppelt. Diese Anordnung sowie Kopplung empfiehlt sich insbesondere, wenn die Kurzschlussschalter zu kühlen sind. Ansonsten ist eine wie vorbeschriebene Anordnung der Kurzschlussschalter, die vorzugsweise in einer anderen Ebene als die Halbleiterschalter angeordnet sind, nicht zwingend erforderlich.
Ferner ist bevorzugt, dass Leiterbahnen zur elektrischen Verbindung von Anschlüssen der Halbleiterschalter im Wesentlichen gleich große Oberflächen aufweisen. Durch die angegebene Anordnung der Halbleiterschalter in der Ebene ist es möglich, die elektrischen Verbindungen geometrisch ähnlich auszugestalten. Insbesondere ist bevorzugt, dass die Leiterbahnen zu den unterschiedlichen Halbleiterschaltern im Wesentlichen gleich lang, gleich breit und gleich dick sind. Elektrische Charakteristi- ka wie ein elektrischer Widerstand, eine Impedanz oder eine Wirkung auf elektromagnetische Störfelder können so einander entsprechen. Ferner können die Ströme der Einzelphasen zueinander angepasst werden. Des Weiteren kann eine möglichst niedrige EMV-Emission erreicht werden. Werden die Halbleiterschalter elektrisch gleichmäßig belastet, so können auch thermische Leistungen im Bereich der Leiterbahnen einander entsprechen. Diese bevorzugten Ausführungsformen von Leiterbahnen sind vorzugsweise auf Leiterbahnen zur elektrischen Verbindung von Anschlüssen des bzw. der Phasentrenner und/oder der Kurzschlussschalter anwendbar.
In einer Variante umfasst die Treiberbaugruppe eine vorbestimmte Anzahl Halbleiterschalter, wobei jeder Halbleiterschalter einer von wenigstens zwei der oben beschriebenen Treiberbaugruppen zugeordnet ist. Anders ausgedrückt können die Halbleiterschalter der Treiberbaugruppe auch in zwei oder mehr Gruppen angeordnet werden, wobei für jede Gruppe die beschriebenen AnOrdnungsvorschriften gelten. Die beiden Gruppen können in einer Ebene oder in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sein. In einer Ausführungsform liegen die Ebenen der Gruppen parallel zueinander.
Weiterhin bevorzugt kann eine redundante Wechselrichterschaltung mit Phasentrenner oder Kurzschlussschalter gemäß einer der vorbeschriebenen Ausführungsformen vorgesehen sein.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
Figur 1 eine Anordnung von Halbleiterschaltern einer Treiberbaugruppe;
Figur 2 eine alternative Anordnung der Halbleiterschalter von Figur 1 ;
Figur 3 ein Schaltbild eines Dreiphasen-Wechselrichters in der Anordnung von Figur 1 ;
Figur 4 ein Schaltbild eines in der Anordnung von Figur 1 gezeigten Dreiphasen- Wechselrichters mit Phasentrenner in der Anordnung von Figur 1 , und Figur 5 ein Schaltbild eines in der Anordnung von Figur 1 gezeigten Dreiphasen- Wechselrichters mit Kurzschlussschalter
Figur 6 eine Seitenansicht einer Ausführungsform der Treiberbaugruppe von Figur
1 , und
Figur 7 eine Darstellung von Temperaturen am Dreiphasen-Wechselrichter von Figur 3
darstellt.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Treiberbaugruppe 100. Die Treiberbaugruppe 100 umfasst eine Anzahl Halbleiterschalter 105, wobei in Figur 1 rein exemplarisch sechs Halbleiterschalter 105 vorgesehen sind. Die Halbleiterschalter 105 sind vom gleichen Typ und in einer Ebene 1 10 zweidimensional angeordnet. Dabei ist die Anordnung derart, dass jeder Halbleiterschalter 105 die gleiche Anzahl benachbarter Halbleiterschalter 105 aufweist und Abstände zwischen benachbarten Halbleiterschaltern 105 jeweils gleich sind.
In der dargestellten Ausführungsform liegen die Halbleiterschalter 105 gleich verteilt auf einer Kreislinie 1 15 um einen Mittelpunkt 120. Die Halbleiterschalter 105 sind also auf der Kreislinie 1 15 um jeweils 60° gegeneinander versetzt. Diese Anordnung weist eine 6-zählige Drehsymmetrie bezüglich des Mittelpunkts 120 auf.
Die Anordnung der Halbleiterschalter 105 ist so gewählt, dass ein gemeinsamer Kühlkörper 125 zur thermischen Kopplung mit den Halbleiterschaltern 105 eine Kontaktfläche 130 aufweisen kann, die rotationssymmetrisch zum Mittelpunkt 120 und parallel zur Ebene 1 10 ist. In der dargestellten Ausführungsform hat die Kontaktfläche 130 des Kühlkörpers 125 die Form einer Kreisscheibe; in einer anderen Ausführungsform kann die Kontaktfläche 130 auch die Form eines regelmäßigen Vielecks aufweisen, wobei bevorzugt ist, dass die Anzahl der Ecken der Anzahl der anliegenden Halbleiterschalter 105 entspricht.
Die Anordnung der Halbleiterschalter 105 ist hauptsächlich aus thermischen Gründen gewählt. Kleine Fehler bzw. Toleranzen bei der Anordnung der Halbleiterschalter 105 können daher im Allgemeinen hingenommen werden. Ist eine erhöhte Präzision der Ausrichtung erforderlich, so kann an jedem Halbleiterschalter 105 eine Stelle 135 ausgezeichnet sein, bezüglich derer die Positionen oder Abstände zwischen den Halbleiterschaltern 105 bemessen werden. In der gezeigten Ausführungsform entsprechen die ausgezeichneten Stellen jeweils einem geometrischen Mittelpunkt der Oberfläche der Halbleiterschalter und die ausgezeichneten Stellen 135 liegen jeweils auf der Kreislinie 1 15, wobei hier Abstände zwischen den ausgezeichneten Stellen 135 von auf der Kreislinie 1 15 benachbarten Halbleiterschaltern 105 jeweils gleich groß sind. In einer weiteren Ausführungsform sind die Abstände der Halbleiterschalter 105 zueinander bezüglich geringsten Abständen ihrer Umrisse in der Ebene definiert. In der dargestellten Ausführungsform sind rotatorische Ausrichtungen der Halbleiterschalter 105 zueinander in der Ebene 1 10 unterschiedlich gewählt.
In einer anderen Ausführungsform wird auch die rotatorische Ausrichtung jedes Halbleiterschalters 105 bezüglich des Mittelpunkts 120 berücksichtigt. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, wenn Umrisse der Halbleiterschalter 105 in der Ebene 1 10 anders als in Figur 1 dargestellt länglich sind. Zur Bestimmung der Ausrichtung kann am Halbleiterschalter 105 eine Richtung 140 vorbestimmt sein, die sich bevorzugterweise von der ausgezeichneten Stelle 135 aus erstreckt. Um die Ausrichtungen der Halbleiterschalter 105 bezüglich des Mittelpunkts 120 einander anzugleichen, ist bevorzugt, Winkel, die die Richtungen 140 mit Radien durch den Mittelpunkt 120 jeweils einschließen, kongruent zu wählen. In einer anderen Ausführungsform können die Richtungen 140 auch auf andere Weise aneinander angeglichen sein, beispielsweise indem die Richtungen 140 parallel oder paarweise senkrecht zueinander verlaufen.
In der Darstellung von Figur 1 hat jeder Halbleiterschalter 105 genau zwei benachbarte Halbleiterschalter 105, nämlich einen zur Rechten und einen zur Linken auf der Kreislinie 1 15. Weiter entfernte Halbleiterschalter 105, zwischen denen auf der Kreislinie 1 15 ein weiterer Halbleiterschalter 105 liegt, gelten als nicht benachbart.
In einer Ausführungsform sind Abstände zwischen nicht benachbarten Halbleiterschaltern wenigstens 1 ,5-mal so groß wie Abstände zwischen benachbarten Halbleiterschaltern 105. Durch diese Bedingung kann sichergestellt werden, dass der Wärmeeinfluss eines Halbleiterschalters 105 auf einen nicht benachbarten Halb- leiterschalter 105 vernachlässigbar klein ist. In der dargestellten Ausführungsform von sechs Halbleiterschaltern 105 auf der Kreislinie 1 15 sind nicht benachbarte Halbleiterschalter 105 beispielsweise wenigstens 1 ,7 mal so weit voneinander entfernt wie benachbarte Halbleiterschalter 105.
Figur 2 zeigt eine alternative Anordnung der Halbleiterschalter 105 der Treiberbaugruppe 100 von Figur 1 . Hier sind eine erste Gruppe 205 und eine zweite Gruppe 210 gebildet, die jeweils mehrere Halbleiterschalter 105 der Treiberbaugruppe 100 umfassen. Exemplarisch sind in jeder Gruppe 205, 210 jeweils drei Halbleiterschalter 105 vorhanden. In jeder Gruppe 205, 210 sind die Halbleiterschalter 105 nach den Vorgaben angeordnet, die oben mit Bezug auf die Anordnung von Figur 1 erläutert wurden. In der dargestellten Ausführungsform ist jeder Gruppe 205, 210 ein separater Kühlkörper 125 zugeordnet; in einer alternativen Ausführungsform kann auch ein einzelner Kühlkörper 125 verwendet werden, falls alle Halbleiterschalter 105 in der gleichen Ebene 1 10 liegen. In noch einer weiteren Ausführungsform können die Halbleiterschalter 105 auch in parallelen Ebenen 1 10 liegen, wobei sich die Kühlkörper 125 jeweils in die Richtung erstrecken, die von der anderen Ebene 1 10 entfernt ist. Insbesondere können die Halbleiterschalter 105 der ersten Gruppe 205 auf der Oberseite und die Halbleiterschalter 105 der zweiten Gruppe 210 auf der Unterseite einer Platine angeordnet sein, an der die Halbleiterschalter 105 mechanisch und elektrisch angebracht sind, wobei sich die Kühlkörper 125 in entgegengesetzten Richtungen von der Platine weg erstrecken.
Figur 3 zeigt ein Schaltbild eines Dreiphasen-Wechselrichters 300. Die Darstellung erfolgt hybrid, indem die Halbleiterschalter 105 und ihre Verbindungen als Schaltzeichen dargestellt sind, während die Anordnung der Halbleiterschalter 105 geometrisch aufzufassen ist. Die dargestellte Ausführungsform orientiert sich an dem Beispiel von Figur 1 . Elemente des Dreiphasen-Wechselrichters 300, die über die Treiberbaugruppe 100 hinausgehen, sind nicht dargestellt.
Exemplarisch sind eine erste Zuleitung 305 mit einem hohen Potential und eine zweite Zuleitung 310 mit einem niedrigen Potential verbunden. Jeweils zwei Halbleiterschalter 105 bilden eine Halbbrücke zwischen den Zuleitungen 305 und 310. Mitten- abgriffe der Halbbrücken sind als Ausgangsleitungen 315 bis 325 herausgeführt. Mit ihnen kann beispielsweise ein Dreiphasen-Elektromotor verbunden werden, dessen Drehmoment, Drehzahl oder Drehrichtung durch entsprechendes Ansteuern der Halbleiterschalter 105 gesteuert werden kann. Ein solcher Elektromotor kann beispielsweise für Steueraufgaben an Bord eines Kraftfahrzeugs, etwa in einer Lenkoder Bremsunterstützung, verwendet werden.
Obwohl die Verbindungen zwischen den Halbleiterschaltern 105 nicht kreuzungsfrei dargestellt sind, ist zu sehen, dass die Zuleitungen 305, 310 und Ausgangsleitungen 315 bis 325 geometrisch ähnlich ausgeführt werden können. Insbesondere die Längen korrespondierender Leitungen 305 bis 325 können einander entsprechen. Dabei werden im Wesentlichen nur die Teile der Leitungen 305 bis 325 berücksichtigt, die in einem Umkreis um den nicht dargestellten Mittelpunkt 120 liegen, wobei der Umkreis jeweils die radial äußersten Punkte der Halbleiterschalter 105 berührt.
Figur 4 und Figur 5 zeigen jeweils ein Schaltbild eines um eine Phasentrennschal- tung bzw. eine Kurzschlussschaltung erweiterten Dreiphasen-Wechselrichters 300. Die Darstellung erfolgt äquivalent zu Figur 3, weswegen mit Blick auf die Anordnung und elektrische Verbindung der Halbleiterschalter 105 auf den die Figur 1 betreffenden Abschnitt verwiesen wird.
Figur 4 zeigt im Besonderen den Dreiphasen-Wechselrichter 300 mit einer Phasen- trennschaltung umfassend drei als Phasentrenner ausgebildete weitere Halbleiterschalter 106, welche jeweils einer aus zwei Halbleiterschaltern 105 bestehenden Halbbrücke zugeordnet und mit dieser elektrisch gekoppelt sind. Die Phasentrenner 106 sind in einer Ebene angeordnet, die zu der die Anordnung der Halbleiterschalter 105 umfassenden Ebene parallel ist. Vorzugsweise sind die Phasentrenner 106 auf einer anderen Seite einer Platine als die Halbleiterschalter 105 angeordnet. Der jeweilige Phasentrenner 106 ist über die der jeweiligen Halbbrücke zugeordnete erste 315 bzw. zweite 320 bzw. dritte Ausgangsleitung 325 mit der entsprechenden Halbbrücke elektrisch gekoppelt. Der Phasentrenner 106 ist somit der jeweiligen Halbbrücke nachgeordnet vorgesehen. Die Anordnung der Phasentrenner 106 erfolgt in einer der Anordnung der Halbleiterschalter 105 entsprechenden vorbeschriebenen Weise, wobei die Phasentrenner 106 in einer Draufsicht der Ebenen auf einer identischen Kreislinie wie die Halbleiterschalter 105 angeordnet sind, wobei ein Phasen- trenner 106 zwischen zwei benachbarten Halbleiterschaltern 105 angeordnet ist. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die Phasentrenner 106 auf einer Kreislinie angeordnet, welche in einer Draufsicht der Anordnungsebenen innerhalb der die Halbleiterschalter 105 aufweisenden Kreislinie liegt. Dadurch lässt sich eine kompaktere Anordnung der Halbleiterschalter 105 und der Phasentrenner 106 erreichen. Ferner kann eine die Halbleiterschalter 105 und die Phasentrenner 106 aufweisende Platine hinsichtlich einer thermischen Belastung weiter entzerrt werden.
Figur 5 zeigt im Besonderen den Dreiphasen-Wechselrichter 300 mit einer Kurzschlussschaltung umfassend drei als Kurzschlussschalter ausgebildete weitere Halbleiterschalter 107, welche jeweils einer aus zwei Halbleiterschaltern 105 bestehenden Halbbrücke zugeordnet und mit dieser sowie untereinander elektrisch gekoppelt sind. Die Kurzschlussschalter 107 sind in einer Ebene angeordnet, die zu der die Anordnung der Halbleiterschalter 105 umfassenden Ebene parallel ist. Vorzugsweise sind die Phasentrenner 107 auf einer anderen Seite einer Platine als die Halbleiterschalter 105 angeordnet. Der jeweilige Kurzschlussschalter 107 ist mit der die zwei eine Halbbrücke ausformenden Halbleiterschaltern 105 verbindenden Leitung und mit den anderen Kurzschlussschaltern 107 über eine gemeinsame Verbindungsleitung 330 elektrisch gekoppelt. Der Kurzschlussschalter 107 ist somit den die Halbbrücke ausformenden Halbleiterschaltern 105 nachgeordnet vorgesehen. Der jeweilige Kurzschlussschalter 107 ist nahe seinem Anschlusspunkt zum Anschluss an die jeweilige Leitung angeordnet, um möglichst kurzstreckige Anschlussleitungen zu verwenden. Die Anordnung der Kurzschlussschalter 107 kann gemäß einem anderen bevorzugten, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel in einer der Anordnung der Phasentrenner 106 entsprechenden vorbeschriebenen Weise erfolgen, sofern beispielsweise eine Kühlung der Kurzschlussschalter 107 erforderlich sein sollte.
Figur 6 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform der Treiberbaugruppe 100 von Figur 1 . Eine Platine 400 weist eine Oberseite 405 und eine Unterseite 410 auf. Auf der Oberseite 405 verlaufen eine oder mehrere Leiterbahnen 415, die elektrisch mit dem Halbleiterschalter 105 verbunden sind. Der Halbleiterschalter 105 ist dabei oberflächenmontiert und liegt ebenfalls an der Oberseite 405 der Platine 400.
Ein Kontaktabschnitt 420 der Kontaktfläche 130 des Kühlkörpers 125 liegt an einer der Platine 400 abgewandten Anlagefläche 425 des Halbleiterschalters 105 an, um eine thermische Kopplung herzustellen. Zur verbesserten Wärmeleitung, zur elektrischen Isolation oder zum Höhenausgleich kann zwischen der Anlagefläche 425 und dem Kontaktabschnitt 420 ein Wärmeleitpad, eine Wärmeleitpaste, eine Glimmerscheibe oder ein anderes Element vorgesehen sein, das möglichst einen guten Wärmeübergang bei vorzugsweise möglichst schlechter elektrischer Leitfähigkeit aufweist.
Der Kühlkörper 125 kann einen Vorsprung 430 aufweisen, der außerhalb der Ebene 1 10 liegt, die den Kontaktabschnitt 420 umfasst. Der Vorsprung 430 erstreckt sich in Richtung der Platine 400 und ist thermisch mit der Leiterbahn 415 gekoppelt. Dabei wird bevorzugterweise eine Leiterbahn 415 thermisch angebunden, die eine Zuleitung oder Ausgangsleitung 305 bis 325 umfasst; eine Steuerleitung kann jedoch auch umfasst sein. Auch hier kann zwischen dem Vorsprung 430 und der Leiterbahn 415 ein Element zum Höhenausgleich, zur Verbesserung der Wärmeleitung oder zur elektrischen Isolation vorgesehen sein.
Figur 7 zeigt im oberen Bereich eine Darstellung von Temperaturen an einer kreisförmigen Anordnung von sechs Halbleiterschaltern 105, die im vorliegenden Beispiel als Treiberbaugruppe 100 für den Dreiphasen-Wechselrichter 300 von Figur 3 eingesetzt sind. Im unteren Bereich von Figur 5 ist eine bekannte rechteckige Anordnung von Halbleiterschaltern 105 dargestellt.
Im Dreiphasen-Wechselrichter 300 werden die Halbleiterschalter 105 im Wesentlichen mit gleichen Frequenzen und Tastverhältnissen ein- und ausgeschaltet, sodass jeder Halbleiterschalter 105 praktisch die gleiche elektrische Leistung in Wärmeleistung umsetzt. Gezeigt ist eine Draufsicht auf die Ebene 1 10. Die Halbleiterschalter 105 stehen an ihren Oberseiten in Kontakt mit einem Kühlkörper 125. Geometrische Bereiche, deren Temperaturen in einen gemeinsamen Bereich fallen, sind zusam- menhängend dargestellt, wobei beispielhafte Mittelwerte der Temperaturbereiche numerisch in °C eingetragen sind.
Es ist zu sehen, dass an der oben dargestellten, runden Anordnung die Oberfläche jedes Halbleiterschalters 105 nur wenige Temperaturbereiche umfasst und dass die Oberflächen der Halbleiterschalter 105 im Wesentlichen die gleichen Temperaturbereiche aufweisen. Die Temperaturbelastung jedes einzelnen Halbleiterschalters 105 und die Temperaturbelastungen aller Halbleiterschalter 105 sind daher in hohem Maß homogen. Dadurch können Alterungen und Ausfallwahrscheinlichkeiten der Halbleiterschalter 105 der Treiberbaugruppe 100 über ihre Betriebszeiten im Wesentlichen gleich sein. Die Halbleiterschalter 105 können dadurch verbessert auf eine vorbestimmte elektrische Belastung dimensioniert sein. Insbesondere in einer sicherheitskritischen Applikation wie bei der Steuerung eines Servomotors, beispielsweise für eine Lenkungs- oder Bremsunterstützung an Bord eines Kraftfahrzeugs, kann dies von Vorteil sein.
An der unten dargestellten, rechteckigen Anordnung, bei der benachbarte Halbleiterschalter ungleiche Abstände zueinander haben, liegen die Temperaturen an den Oberflächen der Halbleiterschalter 105 insgesamt höher. Außerdem umfassen die Oberflächen der Halbeleiterschalter 105 jeweils mehr Temperaturbereiche, die zusätzlich weiter auseinander liegen. Die Halbleiterschalter 105 weisen untereinander stark unterschiedliche höchste und niedrigste Temperaturen auf. Es ist davon auszugehen, dass der Halbleiterschalter 105 mit der höchsten Temperaturbelastung am schnellsten altert und die höchste Ausfallwahrscheinlichkeit hat. Die Alterung und die Ausfallwahrscheinlichkeit jedes einzelnen Halbleiterschalters 105 ist durch die starken Temperaturgradienten an den Oberflächen der Halbleiterschalter 105 jedoch schwer zu bestimmen, sodass die Belastbarkeit bzw. Beständigkeit der gezeigten Anordnung einer großen Unsicherheit unterworfen sein kann. Weiterhin kann weniger Leistung dauerhaft über diese Wechselrichteranordnung geschaltet werden, da das Erreichen der Grenztemperatur eines einzelnen Halbleiterschalters 105 die Abschaltoder Degradationsgrenze der gesamten Anordnung definiert. Bezuqszeichen
100 Treiberbaugruppe
105 Halbleiterschalter
106 Phasentrenner
107 Kurzschlussschalter
1 10 Ebene
1 15 Kreislinie
120 Mittelpunkt
125 Kühlkörper
130 Kontaktfläche
135 Stelle
140 Richtung
205 erste Gruppe
210 zweite Gruppe
300 Dreiphasen-Wechselrichter
305 erste Zuleitung (hohes Potential)
310 zweite Zuleitung (niedriges Potential)
315 erste Ausgangsleitung
320 zweite Ausgangsleitung
325 dritte Ausgangsleitung
330 Verbindungsleitung
400 Platine
405 Oberseite
410 Unterseite
415 Leiterbahn
420 Kontaktabschnitt
425 Anlagefläche
430 Vorsprung

Claims

Patentansprüche
1 . Treiberbaugruppe (100) mit mehreren Halbleiterschaltern (105, 106, 107), dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (105, 106, 107) derart in einer Ebene (1 10) angeordnet sind, dass Abstände zwischen benachbarten Halbleiterschaltern (105, 106, 107) in der Ebene (1 10) jeweils gleich groß sind und jeder Halbleiterschalter (105, 106, 107) die gleiche Anzahl benachbarter Halbleiterschalter (105, 106,
107) aufweist.
2. Treiberbaugruppe (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (105, 106, 107) auf einer Kreislinie (1 15) gleichmäßig verteilt sind.
3. Treiberbaugruppe (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Abstände zwischen nicht benachbarten Halbleiterschaltern (105, 106, 107) wenigstens 1 , 5-mal so groß sind wie Abstände zwischen benachbarten Halbleiterschaltern (105, 106, 107).
4. Treiberbaugruppe (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (105, 106, 107) gleichmäßig zueinander ausgerichtet sind.
5. Treiberbaugruppe (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens sechs Halbleiterschalter (105, 106, 107) vorgesehen sind und die Treiberbaugruppe (100) von einem Dreiphasen-Wechselrichter (300) umfasst ist.
6. Treiberbaugruppe (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass neun Halbleiterschalter (105, 106, 107) vorgesehen sind, wobei zwei Halbleiterschalter (105) jeweils eine der drei Phasen zugeordnete Halbbrücke ausbilden und jede Halbbrücke mit einem dritten Halbleiterschalter (106; 1 07) elektrisch gekoppelt ist.
7. Treiberbaugruppe (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten Halbleiterschalter (107) über eine gemeinsame Verbindungleitung (300) untereinander elektrisch gekoppelt sind.
8. Treiberbaugruppe (100) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten Halbleiterschalter (107) in einer anderen Ebene als die die Halbbrücke ausbildenden Halbleiterschalter (105) angeordnet sind.
9. Treiberbaugruppe (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kühlkörper (125) zur thermischen Kopplung mit den Halbleiterschaltern (105, 106, 107), wobei der Kühlkörper mehrere in einer jeweiligen Ebene (1 10) liegende Kontaktabschnitte (420) zur Anlage an den Halbleiterschaltern (105; 106; 107) umfasst.
10. Treiberbaugruppe (100) nach Anspruch 9, wobei die Kontaktabschnitte (420) von einer Kontaktfläche umfasst sind, die die Form einer Kreisscheibe aufweist.
1 1 . Treiberbaugruppe (100) nach Anspruch 9, wobei die Kontaktabschnitte (420) von einer Kontaktfläche (130) umfasst sind, die die Form eines regelmäßigen Vielecks mit so vielen Ecken aufweist wie in einer Ebene angeordnete Halbleiterschalter (105, 106, 107) am Kühlkörper (125) anliegen.
12. Treiberbaugruppe (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (105; 106; 107) oberflächenmontierte Bauelemente umfassen, wobei die Halbleiterschalter (105; 106; 107) mittels Leiterbahnen (415) elektrisch kontaktiert sind und der Kühlkörper (125) einen außerhalb der Ebene (1 10) liegenden Vorsprung (430) zur thermischen Kopplung mit wenigstens einer Leiterbahn (415) umfasst.
13. Treiberbaugruppe (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Leiterbahnen (415) zur elektrischen Verbindung von Anschlüssen der Halbleiterschalter (105; 106; 107) im Wesentlichen gleich große Oberflächen aufweisen.
14. Treiberbaugruppe (100) mit einer vorbestimmten Anzahl Halbleiterschalter (105), dadurch gekennzeichnet, dass jeder Halbleiterschalter (105) einer von wenigstens zwei Treiberbaugruppen (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche zugeordnet ist.
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