WO2015149987A1

WO2015149987A1 - Treiberbaugruppe

Info

Publication number: WO2015149987A1
Application number: PCT/EP2015/053467
Authority: WO
Inventors: Jorg Jahn; Thomas Erdmann; Ajoy Palit
Original assignee: Lemförder Electronic GmbH
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2015-02-19
Publication date: 2015-10-08
Also published as: JP2017518628A; CN106416446B; KR20160138212A; CN106416446A; JP6506771B2; DE102014205956A1; US20170110984A1; EP3127408A1; US9917533B2

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.