WO2019158390A1 - Leistungselektronikanordnung - Google Patents

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WO2019158390A1
WO2019158390A1 PCT/EP2019/052708 EP2019052708W WO2019158390A1 WO 2019158390 A1 WO2019158390 A1 WO 2019158390A1 EP 2019052708 W EP2019052708 W EP 2019052708W WO 2019158390 A1 WO2019158390 A1 WO 2019158390A1
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WO
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power electronics
circuit board
heat sink
capacitor
bridge modules
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PCT/EP2019/052708
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Marco DENK
Johannes Hager
Michael Sperber
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Zf Friedrichshafen Ag
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Definitions

  • the invention relates to a power electronics assembly and a multi-phase power electronics assembly constructed from a plurality of these power electronics assemblies.
  • Voltage-source inverters which are also called inverters, generally comprise a plurality of half-bridges, which are connected in parallel with a DC link capacitor on one DC side. On an AC side, the half-bridges can be connected to an electrical machine for which a multi-phase alternating current can be provided by the inverter.
  • half-bridge modules each providing such a half-bridge can be arranged side by side on a common cooling plate and electrically connected on the DC side by, for example, a monolithic intermediate circuit capacitor. It is also possible, instead of using a plurality of half-bridge modules each having a half-bridge, to use a single power module in which a plurality of half-bridges are integrated.
  • the combination of the intermediate circuit capacitor with a half-bridge forms an electrical mesh, which is referred to as a commutation cell.
  • the parasitic inductance in this mesh represents the stray inductance of the commutation cell or the commutation inductance.
  • Half-bridge modules generally have a housing in which the power semiconductor switches forming the half-bridge are accommodated.
  • the power connections protrude from one or more narrow sides of the housing. If an intermediate circuit capacitor is now arranged next to a narrow side of the half-bridge modules and connected there to the power connections of the DC side, a leakage inductance in the commutation circuit in the range of 20-50 nH is generally produced. While these values are less problematic with silicon semiconductor-based inverters, such leakage inductances can prevent the best possible utilization of the electrical properties of new wide-bandgap semiconductors, such as silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN). The artificially slowed down switching of the wide bandgap semiconductors required by the leakage inductance generally leads to higher switching losses and can thus impair the achievable efficiency of the inverter.
  • SiC silicon carbide
  • GaN gallium nitride
  • Another object of the invention is to provide mechanical structures with a small space for power electronic circuits, which has a low
  • the power electronics assembly may be an assembly of mechanically interconnected components that provides a DC link inverter.
  • the power electronics assembly may be used as an inverter of an electric vehicle.
  • the terms power electronics or power semiconductors may refer to electrical components designed to handle currents greater than 10 amps and / or voltages greater than 100 volts.
  • the power electronics assembly comprises a heat sink, at least two half-bridge modules mounted on one side of the heat sink, a printed circuit board mounted on the half-bridge modules, and at least one capacitor mounted on the printed circuit board.
  • the heat sink may be a plate and / or contain a cavity through which coolant can be pumped.
  • the half-bridge modules may also form the cavity together with the heat sink.
  • the heat sink can be made of ceramic.
  • the half-bridge modules can be connected, for example, with screws to the heat sink. But there are also other forms of connection, such as riveting or gluing, possible.
  • Each of the half-bridge modules has a housing in which a plurality of power semiconductor switches can be connected to form a half-bridge.
  • the housing has a cooling side mounted on the heat sink, and the housing has a terminal side from which protrudes a plurality of terminal pins.
  • the connection pins can be connected to the half bridge.
  • the housing of the half-bridge modules may be essentially cuboid and / or made of plastic, such as polymer or ceramic.
  • a substrate, such as direct bonded copper (DBC) may be accommodated in the housing, with which the power semiconductor switches are electrically connected to each other and / or to the terminal pins.
  • DBC direct bonded copper
  • connection openings or connection sockets into which two-sided connection pins, such as two-sided press-fit pins, are inserted.
  • the protruding from the housing ends of the two-sided connection pins can then provide the connection pins of the half-bridge module.
  • a half-bridge may comprise two switches connected in series.
  • the DC (DC) terminals are provided at the ends of the series connection and an AC (AC) connection between the two switches.
  • Each of these switches may be constructed of one or more parallel power semiconductor switches, such as transistors or thyristors.
  • the power semiconductor switches may be based on a substrate such as Si (silicon) or a wide-bandgap substrate such as GaN or SiC.
  • each half-bridge module protrudes from the connection side for each DC voltage connection of the half-bridge module and optionally for the AC voltage connection of the half-bridge module in each case a plurality of connection pins.
  • the DC voltage terminals may be the DC + and DC- terminals for the half-bridge provided by the half-bridge module.
  • the two DC voltage terminals and the AC voltage terminal can be considered as the power terminals of the half-bridge module.
  • a plurality of connection pins may be present.
  • the housing of a half-bridge module may be substantially flat on the cooling side. On the opposite side of the connection, a large number of connection pins for DC +, DC- and AC can protrude out of the housing.
  • the housing may each have a plurality of terminal pins.
  • the terminal pins may be press-fit pins, i. have a plug head which can resiliently clamp in an opening.
  • the housing of a half-bridge module may provide additional connection pins for control terminals, such as the gates of the power semiconductor switches.
  • the connection pins are connected to the circuit board.
  • the connection pins can be plugged into the printed circuit board, which can have openings for this, which can be, for example, press-fit sockets, for example sockets with a substantially cylindrical inner wall. If the circuit board is designed as a PCB or printed circuit board, the openings may be through the circuit board leading openings, such as pads.
  • the printed circuit board can also have further analogously constructed openings, in which connection pins of the capacitor (s) are inserted, which in this case may have connection pins, such as press-fit pins, on a side facing the printed circuit board. But it is also possible that the circuit board is integrated in a housing of the capacitor.
  • the circuit board there are conductors which are designed to connect half-bridge modules in parallel and to connect them to the at least one capacitor to form a DC link.
  • the printed circuit board can have a plurality of electrically conductive layers, which connect the positive or negative DC voltage connections of the half-bridge modules or their half-bridges and of the capacitor (s) to each other.
  • the AC terminals of the half-bridge modules or their half-bridges can be connected to each other via the circuit board.
  • an arrangement of parallel-connected half-bridge modules which span a surface and in this area a plurality of electrical contact points (in particular contacts for DC + and DC-) are, which are formed by the connection pins and the corresponding openings in the circuit board. These contact points allow a distributed over the surface and electrically connected in parallel connection of the or the DC link capacitors.
  • the half-bridge modules and the one or more capacitors may be parallel to each other and / or overlap each other in the direction of looking at the cooling surface of the heat sink.
  • the contacts or connection pins of the half-bridge modules and of the capacitor (s) can be oriented relative to one another.
  • the parallel-connected half-bridge modules can be arranged in a plane sen.
  • parallel connected intermediate circuit capacitors can be arranged in a plane.
  • the connection pins and / or contact points of the half-bridge modules and of the capacitor or capacitors can face each other.
  • An intermediate circuit board may electrically interconnect the half-bridge modules and the capacitor (s). From view of the circuit board or the heat sink, the half-bridge modules and the capacitor (s) may partially or completely overlap. In the overlap region, the plurality of connection pins can be arranged for the power connections which produce the electrical connection.
  • connection pins per power connection of a half-bridge module can be distributed via the connection side. This may mean that two connection pins of one power connection are farther apart than two connection pins to different power connections.
  • the properties of wide-bandgap power semiconductors can be utilized to a greater extent.
  • the power electronics assembly can be considered as a distributed power electronics assembly, since several half-bridge modules are distributed on a heat sink, multiple capacitors can be distributed on the circuit board and the half bridge modules and capacitors may be distributed on different sides of the heat sink.
  • the power electronics assembly further comprises at least two opposing half-bridge modules mounted on an opposite side of the heat sink, an opposing circuit board mounted on the opposing half-bridge modules, and at least one opposing capacitor mounted on the half-bridge modules.
  • the power electronics assembly can be embodied substantially mirror-symmetrically to a center plane of the heat sink.
  • the opposed half-bridge modules, the opposing circuit board and the at least one opposing capacitor may be constructed and / or electrically and mechanically connected to one another as well as the corresponding components on the other side.
  • a larger cooling surface can be used with unchanged pressure drop in the cooling circuit.
  • the thermal resistance of the arrangement can be optimized by using both sides of the cooling surface with unchanged pressure loss.
  • the circuit board and the opposite circuit board are connected to an electrically conductive bridge element, with which an AC terminal of the half-bridge modules on one side of the heat sink are electrically connected to an AC terminal of the half-bridge modules on the opposite side of the heat sink.
  • the printed circuit boards which are mounted on opposite sides of the heat sink, may protrude beyond the heat sink and have terminals (such as sockets and / or solder lugs) for the AC terminals of the half bridges.
  • the bridge element can be inserted between the circuit boards.
  • the bridge element at the opposite end may have connection pins which are inserted into these connections.
  • the bridge element may for example comprise a metal latch which is clamped between the circuit boards or mechanically and electrically connected thereto.
  • the conductors in the circuit board can be arranged symmetrically to the opening.
  • the AC terminal may have terminal pins at one end, such as press-fit pins, which may be plugged into corresponding openings in the circuit board.
  • the printed circuit board is designed as a plastic plate coated with metallic surfaces.
  • the circuit board may be a PCB (printed circuit board). It is also possible for the printed circuit board to have one or more metallic layers which are arranged between two plastic layers.
  • the metallic layers of the printed circuit board may be the conductors to which the terminal pins of the half-bridge modules and the capacitor are connected.
  • the capacitor has a housing from which terminal pins which are connected to the guide plate protrude.
  • the connection pins can be plugged into the circuit board, for example.
  • the connection pins of the capacitor can also be press-fit pins which are inserted into corresponding openings of the printed circuit board.
  • a plurality of connection pins may be present per capacitor.
  • At least two capacitors with separate housings are mounted on the printed circuit board.
  • the at least two capacitors can be connected in parallel via the printed circuit board.
  • the capacitors may have rectangular housing, which are mounted side by side on the circuit board. It is possible that the number of capacitors and the number of half-bridge modules are different. For example, two capacitors may be provided for three half-bridge modules.
  • the circuit board is integrated in a housing of the capacitor, wherein the connection pins of the half-bridge modules are plugged into the housing of the capacitor.
  • the capacitor may be constructed of a plurality of individual capacitor components that are soldered to the circuit board.
  • the printed circuit board and the capacitor components can be integrated in a common housing, which has openings through which the connection pins of the half-bridge modules can be inserted into the openings in the printed circuit board.
  • connection pins of the half-bridge modules are integrated, which are connected to each other within the housing with conductor tracks, for example, from a leadframe.
  • the conductor tracks which may be made of copper as well as the conductors or the metallic surfaces and / or layers of a separate circuit board, may be cast in a plastic wall of the housing of the capacitor.
  • the circuit board may be a wall of the housing of the capacitor.
  • the capacitor may have press-fit sockets for receiving press-fit pins into which a half-bridge module with corresponding press-fit pins can be inserted.
  • a corresponding capacitor can be attached directly to one or more half-bridge modules. This can simplify the manufacture of the power electronics assembly.
  • the circuit board is mechanically connected via spacer bolts directly to the heat sink.
  • this can be connected directly to the heat sink, for example, at their edges and / or corners.
  • the standoffs may be provided by the heat sink.
  • the power electronics assembly described above may be single-phase Power electronics assembly to be construed when the AC voltage terminals of the half-bridge modules are connected in parallel.
  • the polyphase power electronics assembly is constructed from a plurality of single-phase power electronics assemblies, such as three single-phase power electronics assemblies.
  • the polyphase power electronic device can provide a three-phase AC inverter such as is used in an electric vehicle.
  • the polyphase power electronics assembly comprises at least two (single-phase) power electronics assemblies as described above and below.
  • the single-phase power electronics assemblies are electrically connected to a DC terminal and each provide a phase for a multi-phase AC voltage with an AC terminal.
  • the at least two single-phase power electronic assemblies are stacked in such a way that at least one capacitor of a power electronics assembly is opposed to at least one capacitor of another power electronics assembly.
  • the power electronics assemblies may be stacked so that their heatsinks are substantially parallel.
  • the at least two single-phase power electronic assemblies are arranged side by side such that the at least one capacitor and the printed circuit board of a power electronics assembly are arranged adjacent to the at least one capacitor and the printed circuit board of another power electronics assembly.
  • the heat sinks can be arranged side by side and aligned with each other.
  • the power electronics assemblies share a common heat sink or that the heat sink of the at least two power electronics assemblies is provided by a common heat sink.
  • the half-bridge modules can be arranged on both sides of the common heat sink. In this way, a large cooling surface can be utilized with unchanged pressure drop in the cooling circuit.
  • At least three single-phase power electronics assemblies are arranged in a star shape such that DC voltage terminals of the power electronics assemblies are assigned to a common DC voltage range by being electrically connected to each other with a common bus bar.
  • the common bus bar may comprise two substantially parallel electrically conductive plates oriented orthogonal to an axis of symmetry of the star-shaped arrangement.
  • the phases of an inverter can be arranged around a common DC + and DC current distribution point or a current distribution surface, which can be triangular.
  • the above-mentioned electrically conductive plates may provide the power distribution surface.
  • the DC link region can equally divide the DC total current between the three single-phase power electronics assemblies.
  • the DC connection area can be used directly as a feed point or terminal from a battery. Further, the AC terminals of the single-phase power electronic devices opposing the DC voltage connecting portion can be directly connected to the phases of an electric motor when the DC voltage connecting portion and / or the symmetry axis of the star-shaped single-phase power electronic assemblies are aligned with an axis of the electric motor.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a power electronics assembly according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows an exploded view of the power electronics assembly of FIG. 1.
  • FIG 3 shows a perspective view of a power electronics assembly according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of a power electronics assembly according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 5 shows a perspective view of a polyphase power electronics assembly according to one embodiment of the invention.
  • Fig. 6 shows a plan view of a polyphase power electronics assembly according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 7 shows a plan view of a polyphase power electronics assembly according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 8 shows a plan view of a polyphase power electronics assembly according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 9 shows a plan view of a polyphase power electronics assembly according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 1 and 2 show a power electronics assembly 10, a heat sink 12, on both sides or cooling surfaces 20 of the heat sink 12 mounted half-bridge module 14, mounted on the half-bridge modules 14 printed circuit boards 16 and capacitors 18 mounted thereon.
  • a power electronics assembly 10 is also possible in which 12 half-bridge modules 14, a printed circuit board and one or more capacitors 18 are mounted on only one side of the heat sink.
  • the plate-shaped heat sink 12 which has a substantially cuboidal basic shape, has two flat cooling surfaces 20, to which the half-bridge modules 14 are fastened with a cooling side 22.
  • the attachment can be made by means of screws 24 which are screwed into provided in the heat sink 12 openings 26. But it is also possible that the attachment is done differently.
  • the heat sink 12 may be made of ceramic and / or may be suitable for liquid cooling.
  • each three half-bridge modules 14 are mounted on one or both sides or cooling surfaces 20 of the heat sink 12 .
  • the half-bridge modules 14 have a substantially parallelepiped-shaped housing 21 made of plastic, which has a plurality of connection pins 30 on a connection side 28 opposite the cooling side 22.
  • the half-bridge modules 14 on one side of the heat sink 12 may be arranged in a plane that may extend substantially parallel to the heat sink 12 and / or the circuit board 16.
  • connection pins 30 may be two-sided pins which are plugged into connection sockets 32 of the housing 21 of the half-bridge modules 14.
  • the connection pins 30 may be designed as a press-fit pin at one or both ends. But it is also possible that the connection pins 30 are firmly integrated into the housing of the half-bridge modules 14.
  • connection pins 30 provide connections for DC + (positive DC voltage), DC (negative DC voltage) and AC (AC voltage). For each type of connection (DC +, DC-, AC) several connection pins 30 are present. Optionally, connection pins 30 may also be provided for control connections, such as for gate signals and / or sensor signals.
  • Each of the half-bridge modules 14 includes two power semiconductor switches connected in series between DC + and DC-, between which the AC voltage terminal is provided.
  • Each of the circuit boards 16 has openings 34 into which the connection pins 30 are inserted.
  • the printed circuit boards 16 are mounted directly on the heat sink 12 via spacer bolts 36 integrated in the heat sink 12.
  • the attachment can be made by means of screws 37, which are screwed into the spacer bolts 36 provided openings 38. But it is also possible that the attachment is done differently.
  • connection pins 30 On each side of the power electronics assembly 10, two capacitors 18 are provided which have a substantially cuboidal housing 40 which provides connection pins 30 on a connection side 42, which are inserted into openings 34 of the respective circuit board 16. These connection pins 30 may also be press-fit pins. For DC + and DC- more connection pins 30 may be provided in each case.
  • the capacitors 18 on one side of the heat sink 12 may be arranged in a plane which may be substantially parallel to the heat sink 12 and / or the circuit board 16.
  • the capacitors 18 are connected in parallel and connected to the DC + and DC- terminals of the half-bridge modules 14. In this way, a DC voltage intermediate circuit is formed from the capacitors 18, from the DC voltage of the half-bridge modules can generate an AC voltage with appropriate control (and vice versa).
  • each circuit board 16 electrical conductors 44 are present in each circuit board, which are shown only schematically in FIG.
  • the conductors 44 may be provided from metal layers in the circuit board 16.
  • the circuit board 16 may be formed, for example, as coated with metallic surfaces plastic plate.
  • Further conductors 44 in the printed circuit boards 16 connect the AC terminals of the half-bridges in the half-bridge modules 14 to an AC voltage terminal 46, via which the two printed circuit boards are electrically connected to a bridge element 48.
  • the printed circuit board 16 may provide a plurality of sockets 50 as an AC terminal and for the bridge element to provide at the end a plurality of terminal pins 30 which are inserted into the openings 50.
  • These connection pins 30 may also be press-fit pins.
  • the bridge element 48 which may comprise a metal latch and / or may be made in several pieces, may serve as the AC voltage terminal 47 of the power electronics assembly 10.
  • the DC terminals 49 of the power electronics assembly 10 may be disposed on the opposite side of the circuit board 16.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a power electronics assembly 10 which, except for the following differences, is constructed exactly the same as that of FIGS. 1 and 2.
  • a capacitor 18 is an assembly having only a housing 40 that provides the terminal pins 30. In this housing 40, a plurality of capacitor components may be present. Overall, a capacitor 18 is connected in parallel to each side of the heat sink with a plurality of half-bridge modules 14 via the circuit board 16.
  • FIG. 3 shows that the bridge element 48 for connecting the AC terminals 46 of the printed circuit boards 16 can be made in one piece.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a power electronics assembly 10, in which the half-bridge modules 14, the printed circuit board 16 and the capacitor 18 are arranged only on one side of the heat sink 12.
  • the half-bridge modules 14 are mounted in a plane on the cooling surface 20 of the heat sink 12.
  • the heat sink 12 has a cavity 52, which can be traversed by a liquid for liquid cooling. With their cooling side 22, the half-bridge modules 14 close this cavity 52 from the environment. However, it is also possible that the cavity 52 is connected (except for the coolant connections) by the material of the heat sink 12 from the environment.
  • the heat sink 12 of the embodiments of FIGS. 1 to 3 may be constructed as the heat sink of FIG. 4. Furthermore, it is possible for the fastening of the half-bridge modules 14 of FIG. 4 to take place as in those of FIGS. 1 to 3.
  • connection pins 30 of FIG. 4 can be embodied in exactly the same way as those of FIGS. 1 to 3 and vice versa. It is to be understood that per potential DC +, DC- and AC multiple connection pins 30 may be present.
  • FIG. 4 shows that the conductors 44 may be metallic layers 54 on both sides of a plastic layer 56.
  • the metallic layers 54 may be patterned to form the conductors 44. It should be understood that the terminal pins are each connected to only one of the metallic layers 54. It is possible that the parts of the metallic layers 54 cover each other for different conductors.
  • the openings or sockets 34 in the circuit board 16 may be lined with metal bonded to one of the two metallic layers 54.
  • FIG. 4 also shows that the printed circuit board 16 and the capacitor 18 can be integrated in an assembly.
  • the circuit board 16 On the circuit board 16, one or more capacitor devices 58 are attached, for example soldered, and surrounded by a housing 40, whose underside is formed by the circuit board.
  • the heat sink between the half-bridge modules 14 has a through opening 60 (which is not connected to the cavity 52 for fluid exchange), through which an AC terminal 62 for the power electronics Order 10 is guided.
  • the AC terminal 46 of the circuit board 16 is located between the half-bridge modules 14 and is electrically connected to the AC terminal 62, for example via a plurality of terminal pins 30, as shown in Figs. 1 and 2.
  • the half-bridge modules 14 are arranged axially symmetrically about the common AC connection 46, 62.
  • the capacitor 18 spans the AC port 46, 62. In general, the capacitor 18 may be located above the AC port 46, 62 or laterally adjacent thereto. This results in a symmetrical structure of the commutation cell.
  • FIG. 4 shows further printed circuit boards 64 which, like the printed circuit board 16, can be plugged onto connection pins 30 of the half-bridge modules 14. These printed circuit boards 64 carry drivers for controlling the semiconductor switches in the half-bridge modules 14.
  • the power electronic assemblies 10 shown in FIGS. 1 to 4 can be regarded as a single-phase power electronics assembly 10, since at its AC voltage terminal 62, a phase of an AC voltage can be provided.
  • multi-phase power electronic assemblies 66 which may be constructed from the single-phase power electronics assembly 10, will be described.
  • the multiphase power electronics assemblies 66 shown in FIGS. 5-9 include at least two, and more particularly three, single-phase power electronics assemblies 10 electrically connected to their DC terminal 49 and each providing one phase with an AC terminal 62.
  • the DC voltage terminal 49 may be connected to a battery, for example.
  • the AC terminals 62 may be connected to an electric motor.
  • FIG. 5 shows that in this case the heat sink 12 of the single-phase power electronic assemblies 10 can be provided by a common heat sink 12.
  • the common heat sink 12 which is plate-shaped and / or provides planar cooling surfaces, can cool all single-phase power electronic assemblies 10 simultaneously via only two coolant connections 67.
  • the polyphase power electronics assembly 66 of FIG. 6 shows that the single-phase power electronics assemblies 10 are stacked on top of each other, in that at least one capacitor 18 of a power electronics assembly 10 faces at least one capacitor 18 of another power electronics assembly 10.
  • the single-phase power electronic devices 10 are stacked along a direction orthogonal to the extension planes of the heat sinks 12 and / or the circuit boards 16.
  • FIG. 7 shows how the DC terminals 49 on one side of the single-phase power electronics assemblies 10 are connected in parallel to a DC terminal for the polyphase power electronics assembly 66 of FIG.
  • the power electronics assembly 66 provides on one side a plurality of (here three) AC terminals 62 and on an opposite side a DC terminal 49 ready.
  • the DC terminals 49 of the single-phase power electronics assemblies 10 are connected in parallel, similar to FIG. However, the three power electronics assemblies 10 are arranged in a star shape, so that the DC terminals 49 of the power electronics assemblies 10 to a common DC voltage connecting portion 68 by being electrically connected to each other with a common bus bar 70. This leads to a more symmetrical current flow than in FIG. 7.
  • two single-phase power electronic assemblies 10 may be arranged substantially parallel to one another while a third single-phase power electronic assembly 10 is arranged orthogonal thereto and with its single-phase power electronics assembly 10 between the two other single-phase power electronics assemblies 10.
  • the single-phase power electronics assemblies 10 are arranged axially symmetric to an axis through the connection region 68. It is also possible that two mutually parallel electrically conductive plates 72 are arranged in the connecting region 68, which are orthogonal to the axis.
  • the multi-phase power electronics assembly 66 of FIGS. 8 and 9 can be well installed as a converter in a circular housing, for example, is located directly next to an electrical machine and aligned with the housing of the electric machine. Also, such a polyphase power electronics assembly 66 may be integrated with an electrical machine directly into a common machine housing.

Abstract

Eine Leistungselektronikanordnung (10) umfasst einen Kühlkörper (12), wenigstens zwei auf einer Seite des Kühlkörpers (12) montierte Halbbrückenmodule (14), eine Leiterplatte (16), die auf die Halbbrückenmodule (14) montiert ist, und wenigstens einen Kondensator (18), der auf die Leiterplatte (16) montiert ist; wobei jedes der Halbbrückenmodule (14) ein Gehäuse (21) aufweist, das eine Kühlseite (22) aufweist, die auf den Kühlkörper (12) montiert ist, und das Gehäuse (21) eine Anschlussseite (28) aufweist, aus der eine Mehrzahl von Anschlusspins (30) je Gleichspannungsanschluss des Halbbrückenmoduls (14) ragen, die mit der Leiterplatte (16) verbunden sind; und wobei Leiter (44) in der Leiterplatte (16) dazu ausgeführt sind, die Halbbrückenmodule (14) parallel zu schalten und mit dem wenigstens einen Kondensator (18) zu einem Zwischenkreis zu verbinden.

Description

Leistungselektronikanordnung
Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronikanordnung und eine aus mehreren dieser Leistungselektronikanordnungen aufgebaute mehrphasige Leistungselektronikanordnung.
Spannungszwischenkreiswechselrichter, die auch Inverter genannt werden, umfassen in der Regel mehrere Halbbrücken, die an einer DC-Seite mit einem Zwischenkreiskondensator parallel geschaltet werden. Auf einer AC-Seite können die Halbbrücken mit einer elektrischen Maschine verbunden werden, für die von dem Inverter ein mehrphasiger Wechselstrom bereitgestellt werden kann.
Zum Aufbau einer derartigen leistungselektronischen Schaltung können Halbbrü- ckenmodule, die jeweils eine solche Halbbrücke bereitstellen, nebeneinander auf einer gemeinsamen Kühlplatte angeordnet und elektrisch auf der DC-Seite durch beispielsweise einen monolithisch ausgeführten Zwischenkreiskondensator verbunden werden. Es ist auch möglich, anstelle mehrerer Halbbrückenmodule mit jeweils einer Halbbrücke ein einziges Leistungsmodul zu verwenden, in das mehrere Halbbrücken integriert sind. Die Kombination des Zwischen kreiskondensators mit einer Halbbrücke bildet eine elektrische Masche, welche als Kommutierungszelle bezeichnet wird. Die in dieser Masche befindliche parasitäre Induktivität stellt die Streuinduktivität der Kommutierungszelle bzw. die Kommutierungsinduktivität dar.
Halbbrückenmodule weisen in der Regel ein Gehäuse auf, in dem die die Halbbrücke bildenden Leistungshalbleiterschalter aufgenommen sind. Bei gängigen Halbbrückenmodulen ragen die Leistungsanschlüsse aus einer oder mehreren Schmalseiten des Gehäuses heraus. Wird ein Zwischenkreiskondensator nun neben einer Schmalseite der Halbbrückenmodule angeordnet und dort mit den Leistungsanschlüssen der DC-Seite verbunden, entsteht in der Regel eine Streu Induktivität im Kommutierungskreis im Bereich von 20-50 nH. Während diese Werte bei auf Siliziumhalbleitern basierenden Invertern weniger problematisch sind, können derartige Streuinduktivitäten eine bestmögliche Ausnutzung der elektrischen Eigenschaften neuer Wide-Bandgap- Halbleiter, wie etwa Siliziumcarbid (SiC) oder Gallium-Nitrid (GaN) verhindern. Das durch die Streuinduktivität erforderliche künstlich verlangsamte Schalten der Wide- Bandgap-Halbleiter führt in der Regel zu höheren Schaltverlusten und kann damit den erzielbaren Wirkungsgrad des Inverters verschlechtern.
Zu der Streuinduktivität können mehrere Faktoren beitragen. Wenn beispielsweise ein Zwischen kreiskondensator mit zwei Anschlüssen je Halbbrücke verwendet wird, der auf der DC-Seite mit den Halbbrücken des Inverters über je zwei Kontaktstellen (DC-Plus und DC-Minus) verbunden ist, führt dieser Engpass zu einer erhöhten Streu Induktivität.
Zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit können innerhalb eines Halbbrückenmoduls mehrere Leistungshalbleiter parallel geschaltet werden. Geometriebedingt können diese einzelnen Halbleiter in der Regel nicht elektrisch gleichwertig mit dem Zwischenkreiskondensator verbunden werden. Dies kann zu unsymmetrischen Schaltvorgängen führen und die Halbleiter können nicht den theoretisch maximal möglichen Laststrom führen. Diese Asymmetrie kann daher eine Überdimensionierung der leistungselektronischen Schaltung erfordern.
Zur Realisierung von Invertern mit unterschiedlichen Stromklassen kann es notwendig sein, Halbbrückenmodule für die größte zu realisierende Stromklasse auszulegen. Eine Minderbestückung von Halbbrückenmodulen kann dann zu Kostenvorteilen führen, jedoch zu keiner Bauraumersparnis.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die oben genannten Probleme zu überwinden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, mechanische Aufbauten mit geringem Bauraum für leistungselektronische Schaltungen bereitzustellen, die eine geringe
Streu Induktivität und eine hohe Symmetrie aufweisen, dabei aber leicht auf höhere Stromstärken skalierbar sind.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung. Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Leistungselektronikanordnung. Die Leistungselektronikanordnung kann eine Baugruppe aus mechanisch miteinander verbundenen Komponenten sein, die einen Inverter mit Zwischenkreis bereitstellt. Beispielsweise kann die Leistungselektronikanordnung als Inverter eines Elektrofahrzeuges verwendet werden. Es ist zu verstehen, dass die Begriffe Leistungselektronik bzw. Leistungshalbleiter elektrische Komponenten betreffen können, die dazu ausgeführt sind, Stromstärken von mehr als 10 A und/oder Spannungen von mehr als 100 V zu verarbeiten.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Leistungselektronikanordnung einen Kühlkörper, wenigstens zwei auf einer Seite des Kühlkörpers montierte Halbbrückenmodule, eine Leiterplatte, die auf die Halbbrückenmodule montiert ist, und wenigstens einen Kondensator, der auf die Leiterplatte montiert ist. Der Kühlkörper kann eine Platte sein und/oder einen Hohlraum enthalten, durch den Kühlmittel gepumpt werden kann. Die Halbbrückenmodule können auch den Hohlraum zusammen mit dem Kühlkörper bilden. Der Kühlkörper kann aus Keramik gefertigt sein.
Die Halbbrückenmodule können beispielsweise mit Schrauben mit dem Kühlkörper verbunden sein. Es sind aber auch andere Verbindungsformen, wie Nieten oder Kleben, möglich.
Jedes der Halbbrückenmodule weist ein Gehäuse auf, in dem eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterschaltern zu einer Halbbrücke verbunden sein kann. Das Gehäuse weist eine Kühlseite auf, die auf den Kühlkörper montiert ist, und das Gehäuse weist eine Anschlussseite auf, aus der eine Mehrzahl von Anschlusspins ragt. Die Anschlusspins können mit der Halbbrücke verbunden sein. Beispielsweise kann das Gehäuse der Halbbrückenmodule im Wesentlichen quaderförmig sein und/oder aus Kunststoff, wie etwa Polymer oder Keramik, gefertigt sein. In dem Gehäuse kann ein Substrat, wie etwa DBC (direct bonded copper, direkt aufgebrauchtes Kupfer), aufgenommen sein, mit dem die Leistungshalbleiterschalter miteinander und/oder mit den Anschlusspins elektrisch verbunden sind. Es ist auch möglich, dass das Gehäuse eines Halbbrückenmoduls Anschlussöffnungen bzw. Anschlussbuchsen aufweist, in die zweiseitige Anschlusspins, wie etwa zweiseitige Press-Fit-Pins, gesteckt sind. Die aus dem Gehäuse herausragenden Enden der zweiseitigen Anschlusspins können dann die Anschlusspins des Halbbrückenmoduls bereitstellen.
Eine Halbbrücke kann zwei in Reihe geschaltete Schalter umfassen. Die Gleich- spannungs-(DC)-Anschlüsse werden an den Enden der Reihenschaltung und ein Wechselspannungs-(AC)-Anschluss zwischen den beiden Schaltern bereitgestellt. Jeder dieser Schalter kann aus einem oder mehreren parallel geschalteten Leistungshalbleiterschaltern, wie etwa Transistoren oder Thyristoren, aufgebaut sein. Die Leistungshalbleiterschalter können auf einem Substrat wie Si (Silizium) oder einem Wide-Bandgap-Substrat, wie etwa GaN oder SiC, basieren.
Aus dem Gehäuse jedes Halbbrückenmoduls ragt aus der Anschlussseite für jeden Gleichspannungsanschluss des Halbbrückenmoduls und optional für den Wechselspannungsanschluss des Halbbrückenmoduls jeweils eine Mehrzahl von Anschlusspins. Die Gleichspannungsanschlüsse können die DC+ und DC- -Anschlüsse für die von dem Halbbrückenmodul bereitgestellte Halbbrücke sein. Die beiden Gleichspannungsanschlüsse und der Wechselspannungsanschluss können als die Leistungsanschlüsse des Halbbrückenmoduls aufgefasst werden. Für jeden der Leistungsanschlüsse kann eine Mehrzahl von Anschlusspins vorhanden sein. Das Gehäuse eines Halbbrückenmoduls kann auf der Kühlseite im Wesentlichen flach sein. Auf der gegenüberliegenden Anschlussseite kann eine Mehrzahl von Anschlusspins für DC+, DC- und AC aus dem Gehäuse herausragen. Sowohl für jeweils DC+, DC- und AC kann das Gehäuse jeweils eine Mehrzahl von Anschlusspins aufweisen. Die Anschlusspins können Press-Fit-Pins sein, d.h. einen Steckkopf aufweisen, der sich federnd in eine Öffnung klemmen kann.
Es ist zu verstehen, dass das Gehäuse eines Halbbrückenmoduls weitere Anschlusspins für Steuerungsanschlüsse, wie etwa für die Gates der Leistungshalbleiterschalter, bereitstellen kann. Die Anschlusspins sind mit der Leiterplatte verbunden. Die Anschlusspins können in die Leiterplatte gesteckt sein, die dafür Öffnungen aufweisen kann, die beispielsweise Press-Fit-Buchsen sein können, beispielsweise Buchsen mit einer im Wesentlichen zylinderförmigen Innenwandung. Ist die Leiterplatte als PCB bzw. bedruckte Leiterplatte ausgeführt, können die Öffnungen durch die Leiterplatte führende Öffnungen sein, wie etwa Lötaugen.
Die Leiterplatte kann auch weitere analog aufgebaute Öffnungen aufweisen, in die Anschlusspins des oder der Kondensatoren gesteckt sind, die in diesem Fall Anschlusspins, wie etwa Press-Fit-Pins, auf einer der Leiterplatte zugewandten Seite aufweisen können. Es ist aber auch möglich, dass die Leiterplatte in ein Gehäuse des Kondensators integriert ist.
In der Leiterplatte sind Leiter vorhanden, die dazu ausgeführt sind, Halbbrückenmo- dule parallel zu schalten und mit dem wenigstens einen Kondensator zu einem Zwischenkreis zu verbinden. Beispielsweise kann die Leiterplatte mehrere elektrisch leitende Schichten aufweisen, die jeweils die positiven bzw. negativen Gleichspannungs-Anschlüsse der Halbbrückenmodule bzw. deren Halbbrücken und des oder der Kondensatoren miteinander verbinden. Auch die Wechselspannungs-Anschlüsse der Halbbrückenmodule bzw. deren Halbbrücken können über die Leiterplatte miteinander verbunden sein.
Auf diese Weise entsteht eine Anordnung parallel geschalteter Halbbrückenmodule, die eine Fläche aufspannen und sich in dieser Fläche mehrere elektrische Kontaktstellen (insbesondere Kontakte für DC+ und DC-) befinden, die durch die Anschlusspins und die entsprechenden Öffnungen in der Leiterplatte gebildet werden. Diese Kontaktstellen ermöglichen eine über die Fläche verteilte und elektrisch parallel geschaltete Anbindung des oder der Zwischenkreiskondensatoren. Die Halbbrückenmodule und der oder die Kondensatoren können parallel zueinander liegen und/oder sich in Blickrichtung auf die Kühlfläche des Kühlkörpers miteinander überlappen. Die Kontakte bzw. Anschlusspins der Halbbrückenmodule und des oder der Kondensatoren können zueinander orientiert sein. Die parallel geschalteten Halbbrückenmodule können in einer Ebene angeordnet sen. Genauso können parallel geschaltete Zwischen kreiskondensatoren in einer Ebene angeordnet sein. Die Anschlusspins und/oder Kontaktstellen der Halbbrückenmodule und des oder der Kondensatoren können aufeinander zu weisen. Eine dazwischen liegende Leiterplatte kann die Halbbrückenmodule und den oder die Kondensatoren elektrisch miteinander verbinden. Aus Sicht auf die Leiterplatte bzw. den Kühlkörper können sich die Halbbrückenmodule und der oder die Kondensatoren teilweise oder vollständig überlappen. Im Überlappungsbereich können die Mehrzahl von Anschlusspins für die Leistungsanschlüsse angeordnet sein, die die elektrische Verbindung hersteilen.
Die Anschlusspins je Leistungsanschluss eines Halbbrückenmoduls können über die Anschlussseite verteilt sein. Dies kann bedeuten, dass zwei Anschlusspins eines Leistungsanschlusses weiter voneinander entfernt sind, als zwei Anschlusspins zu unterschiedlichen Leistungsanschlüssen.
Durch diese Anordnung kann eine niedrigere Kommutierungsinduktivität erreicht werden, als wenn die Kondensatoren und die Halbbrückenmodule seitlich und/oder über lediglich wenige Verbindungen elektrisch miteinander verbunden werden. Weiter kann sich eine optimale, symmetrische Anordnung von Leistungshalbleitern, Zwischenkreiskondensatoren und einer Ansteuerung ergeben. Durch die Kompaktheit der Anordnung können sich eine hohe Leistungsdichte, ein hoher Wirkungsgrad und eine hohe Bauraumflexibilität ergeben. Weiter ist die Anordnung gut skalierbar, da beliebig viele Halbbrückenmodule parallel geschaltet und angeordnet werden können.
Durch die geringe Kommutierungsinduktivität können die Eigenschaften von Wide- Bandgap-Leistungshalbleitern, wie etwa im Vergleich zu Si- Leistungshalbleitern hohe Schaltfrequenzen, stärker ausgenutzt werden.
Die Leistungselektronikanordnung kann als verteilte Leistungselektronikanordnung aufgefasst werden, da mehrere Halbbrückenmodule auf einem Kühlkörper verteilt sind, mehrere Kondensatoren auf der Leiterplatte verteilt sein können und die Halb- brückenmodule und Kondensatoren auf verschiedenen Seiten des Kühlkörpers verteilt sein können.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Leistungselektronikanordnung weiter wenigstens zwei auf eine gegenüberliegende Seite des Kühlkörpers montierte gegenüberliegende Halbbrückenmodule, eine auf die gegenüberliegenden Halbbrückenmodule montierte gegenüberliegende Leiterplatte und wenigstens einen gegenüberliegenden Kondensator, der auf die Halbbrückenmodule montiert ist. Mit anderen Worten kann die Leistungselektronikanordnung im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zu einer Mittelebene des Kühlkörpers ausgeführt sein. Es ist zu verstehen, dass die gegenüberliegenden Halbbrückenmodule, die gegenüberliegende Leiterplatte und der wenigstens eine gegenüberliegende Kondensator genauso wie die entsprechenden Komponenten auf der anderen Seite aufgebaut und/oder miteinander elektrisch und mechanisch verbunden sein können. Damit kann eine größere Kühlfläche bei unverändertem Druckabfall im Kühlkreislauf verwendet werden. Der thermische Widerstand der Anordnung kann durch beidseitige Kühlflächennutzung bei unverändertem Druckverlust optimiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Leiterplatte und die gegenüberliegende Leiterplatte mit einem elektrisch leitenden Brückenelement verbunden, mit dem ein Wechselspannungs-Anschluss der Halbbrückenmodule auf der einen Seite des Kühlkörpers mit einem Wechselspannungs-Anschluss der Halbbrückenmodule auf der gegenüberliegenden Seite des Kühlkörpers elektrisch verbunden sind. Die Leiterplatten, die an gegenüberliegenden Seiten des Kühlkörpers montiert sind, können über den Kühlkörper hinausstehen und dort Anschlüsse (wie etwa Buchsen und/oder Lötösen) für die Wechselspannungs-Anschlüsse der Halbbrücken aufweisen. In diese Anschlüsse kann das Brückenelement zwischen die Leiterplatten gesteckt werden. Beispielsweise kann das Brückenelement am gegenüberliegenden Ende Anschlusspins aufweisen, die in diese Anschlüsse gesteckt werden.
Das Brückenelement kann beispielsweise einen Metallriegel umfassen, der zwischen die Leiterplatten geklemmt bzw. mit diesen mechanisch und elektrisch verbunden ist. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Kühlkörper zwischen zwei Halbbrückenmodulen eine Öffnung auf, durch die ein Wechselspannungs-Anschluss, der mit der Leiterplatte verbunden ist, zu einer gegenüberliegenden Seite des Kühlkörpers geführt ist. Dies kann zu einem besonders symmetrischen Aufbau führen, da der Wechselspannungs-Anschluss räumlich zwischen zwei Halbbrückenmodulen angeordnet werden kann. Die Leiter in der Leiterplatte können symmetrisch zu der Öffnung angeordnet werden. Der Wechselspannungs-Anschluss kann an einem Ende Anschlusspins, wie etwa Press-Fit-Pins, aufweisen, die in entsprechende Öffnungen in der Leiterplatte gesteckt werden können.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Leiterplatte als mit metallischen Flächen beschichtete Kunststoffplatte ausgebildet. Die Leiterplatte kann ein PCB (gedruckte Leiterplatte) sein. Es ist auch möglich, dass die Leiterplatte eine oder mehrere metallische Schichten aufweist, die zwischen zwei Kunststoffschichten angeordnet sind. Die metallischen Schichten der Leiterplatte können die Leiter sein, mit denen die Anschlusspins der Halbbrückenmodule und der Kondensator verbunden sind.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Kondensator ein Gehäuse auf, aus dem Anschlusspins ragen, die mit der Leitplatte verbunden sind. Die Anschlusspins können beispielsweise in die Leiterplatte gesteckt sein. Auch die Anschlusspins des Kondensators können Press-Fit-Pins sein, die in entsprechende Öffnungen der Leiterplatte gesteckt werden. Für die positiven und negativen Anschlüsse kann pro Kondensator jeweils eine Mehrzahl von Anschlusspins vorhanden sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind wenigstens zwei Kondensatoren mit gesonderten Gehäusen auf die Leiterplatte montiert. Die wenigstens zwei Kondensatoren können über die Leiterplatte parallel geschaltet sein. Die Kondensatoren können quaderförmige Gehäuse aufweisen, die nebeneinander auf die Leiterplatte montiert sind. Es ist möglich, dass die Anzahl der Kondensatoren und die Anzahl der Halbbrückenmodule unterschiedlich sind. Beispielsweise können zwei Kondensatoren für drei Halbbrückenmodule vorgesehen sein. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Leiterplatte in ein Gehäuse des Kondensators integriert, wobei die Anschlusspins der Halbbrückenmodule in das Gehäuse des Kondensators gesteckt sind. Beispielsweise kann der Kondensator aus mehreren einzelnen Kondensatorbauelementen aufgebaut sein, die auf die Leiterplatte gelötet sind. Die Leiterplatte und die Kondensatorbauelemente können in ein gemeinsames Gehäuse integriert sein, das Öffnungen aufweist, durch die die Anschlusspins der Halbbrückenmodule in die Öffnungen in der Leiterplatte gesteckt werden können.
Es ist auch möglich, dass in das Gehäuse des Kondensators Öffnungen bzw. Buchsen für die Anschlusspins der Halbbrückenmodule integriert sind, die innerhalb des Gehäuses mit Leiterbahnen, beispielsweise aus einem Leadframe, miteinander verbunden sind. Die Leiterbahnen, die genauso wie die Leiter bzw. die metallischen Flächen und/oder Schichten einer gesonderten Leiterplatte aus Kupfer gefertigt sein können, können in eine Kunststoffwandung des Gehäuses des Kondensators eingegossen sein. Somit kann die Leiterplatte eine Wandung des Gehäuses des Kondensators sein.
Mit anderen Worten kann der Kondensator über Press-Fit-Buchsen zur Aufnahme von Press-Fit-Pins verfügen, in die ein Halbbrückenmodul mit entsprechenden Press- Fit-Pins gesteckt werden kann. Auf diese Weise kann ein entsprechender Kondensator direkt auf ein oder mehrere Halbbrückenmodule aufgesteckt werden. Dies kann die Herstellung der Leistungselektronikanordnung vereinfachen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Leiterplatte über Abstandsbolzen direkt mit dem Kühlkörper mechanisch verbunden. Neben der indirekten mechanischen Verbindung der Leiterplatte über die Halbbrückenmodule mit dem Kühlkörper kann diese, beispielsweise an ihren Rändern und/oder Ecken, direkt mit dem Kühlkörper verbunden sein. Beispielsweise können die Abstandsbolzen von dem Kühlkörper bereitgestellt sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine mehrphasige Leistungselektronikanordnung. Die zuvor beschriebene Leistungselektronikanordnung kann als einphasige Leistungselektronikanordnung aufgefasst werden, wenn die Wechselspannungs- Anschlüsse der Halbbrückenmodule parallel geschaltet sind. Die mehrphasige Leistungselektronikanordnung ist aus einer Mehrzahl von einphasigen Leistungselektronikanordnungen aufgebaut, beispielsweise aus drei einphasigen Leistungselektronikanordnungen. In diesem Fall kann die mehrphasige Leistungselektronikanordnung einen Inverter für dreiphasige Wechselspannung bereitstellen, wie er in etwa in einem Elektrofahrzeug verwendet wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die mehrphasige Leistungselektronikanordnung wenigstens zwei (einphasige) Leistungselektronikanordnungen, so wie sie obenstehend und untenstehend beschrieben sind. Die einphasigen Leistungselektronikanordnungen sind mit einem Gleichspannungs-Anschluss elektrisch verbunden und stellen mit einem Wechselspannungs-Anschluss jeweils eine Phase für eine mehrphasige Wechselspannung bereit.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die wenigstens zwei einphasigen Leistungselektronikanordnungen derart aufeinandergestapelt, dass wenigstens ein Kondensator einer Leistungselektronikanordnung wenigstens einem Kondensator einer weiteren Leistungselektronikanordnung gegenüberliegt. Die Leistungselektronikanordnungen können so gestapelt werden, dass ihre Kühlkörper im Wesentlichen parallel verlaufen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die wenigstens zwei einphasigen Leistungselektronikanordnungen derart nebeneinander angeordnet, dass der wenigstens eine Kondensator und die Leiterplatte einer Leistungselektronikanordnung neben dem wenigstens einen Kondensator und der Leiterplatte einer weiteren Leistungselektronikanordnung angeordnet sind. In diesem Fall können die Kühlkörper nebeneinander und miteinander fluchtend angeordnet sein. Es ist aber auch möglich, dass sich die Leistungselektronikanordnungen einen gemeinsamen Kühlkörper teilen bzw. dass der Kühlkörper der wenigstens zwei Leistungselektronikanordnungen durch einen gemeinsamen Kühlkörper bereitgestellt ist. Die Halbbrückenmodule können auf beiden Seiten des gemeinsamen Kühlkörpers angeordnet sein. Auf diese Weise kann eine große Kühlfläche bei unverändertem Druckabfall im Kühlkreislauf ausgenutzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind wenigstens drei einphasige Leistungselektronikanordnungen sternförmig angeordnet, so dass Gleichspannungs- Anschlüsse der Leistungselektronikanordnungen auf einen gemeinsamen Gleichspannungs-Verbindungsbereich zuweisen, indem sie mit einer gemeinsamen Busschiene miteinander elektrisch verbunden sind. Die gemeinsame Busschiene kann zwei im Wesentlichen parallele elektrisch leitende Platten aufweisen, die orthogonal zu einer Symmetrieachse der sternförmigen Anordnung ausgerichtet sind.
Auf diese Weise können die Phasen eines Inverters um einen gemeinsamen DC+ und DC- Stromverteilerpunkt bzw. eine Stromverteilerfläche, die dreiecksförmig sein kann, angeordnet sein. Die oben genannten elektrisch leitenden Platten können die Stromverteilerfläche bereitstellen. Der Gleichspannungs-Verbindungsbereich kann den DC-Gesamtstrom gleichermaßen auf die drei einphasigen Leistungselektronikanordnungen aufteilen.
Auf diese Weise können möglichst kurze und gleich lange Stromstrecken zu den einzelnen einphasigen Leistungselektronikanordnungen erreicht werden. Der Gleichspannungs-Verbindungsbereich kann direkt als Einspeisepunkt bzw. Anschluss von einer Batterie verwendet werden. Weiter können die dem Gleichspannungs- Verbindungsbereich gegenüberliegenden Wechselspannungs-Anschlüsse der einphasigen Leistungselektronikanordnungen direkt mit den Phasen eines Elektromotors verbunden werden, wenn der Gleichspannungs-Verbindungsbereich und/oder die Symmetrieachse der sternförmig angeordneten einphasigen Leistungselektronikanordnungen mit einer Achse des Elektromotors ausgerichtet wird.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Leistungselektronikanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine Explosionsansicht der Leistungselektronikanordnung aus der Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Leistungselektronikanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 4 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Leistungselektronikanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer mehrphasigen Leistungselektronikanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf eine mehrphasige Leistungselektronikanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf eine mehrphasige Leistungselektronikanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 8 zeigt eine Draufsicht auf eine mehrphasige Leistungselektronikanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 9 zeigt eine Draufsicht auf eine mehrphasige Leistungselektronikanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Die in den Figuren verwendeten Bezugszeichen und ihre Bedeutung sind in zusammenfassender Form in der Liste der Bezugszeichen aufgeführt. Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 und 2 zeigen eine Leistungselektronikanordnung 10, die einen Kühlkörper 12, auf beiden Seiten bzw. Kühlflächen 20 des Kühlkörpers 12 montierte Halbbrücken- module 14, auf die Halbbrückenmodule 14 montierte Leiterplatten 16 und darauf montierte Kondensatoren 18 umfasst.
Es ist zu verstehen, dass auch eine Leistungselektronikanordnung 10 möglich ist, bei der auf lediglich einer Seite des Kühlkörpers 12 Halbbrückenmodule 14, eine Leiterplatte und ein oder mehrere Kondensatoren 18 montiert sind.
Der plattenförmige Kühlkörper 12, der eine im Wesentlichen quaderförmige Grundform aufweist, hat zwei ebene Kühlflächen 20, auf die die Halbbrückenmodule 14 mit einer Kühlseite 22 befestigt sind. Die Befestigung kann über Schrauben 24 erfolgen, die in im Kühlkörper 12 vorgesehene Öffnungen 26 geschraubt sind. Es ist aber auch möglich, dass die Befestigung andersartig erfolgt. Der Kühlkörper 12 kann aus Keramik gefertigt sein und/oder kann zur Flüssigkeitskühlung geeignet sein.
Auf einer oder beiden Seiten bzw. Kühlflächen 20 des Kühlkörpers 12 sind jeweils drei Halbbrückenmodule 14 montiert. Die Halbbrückenmodule 14 weisen ein im Wesentlichen quaderförmiges Gehäuse 21 aus Kunststoff auf, das auf einer der Kühlseite 22 gegenüberliegender Anschlussseite 28 eine Mehrzahl von Anschlusspins 30 aufweist. Die Halbbrückenmodule 14 auf einer Seite des Kühlkörpers 12 können in einer Ebene angeordnet sein, die im Wesentlich parallel zum Kühlkörper 12 und/oder der Leiterplatte 16 verlaufen kann.
Wie gezeigt können die Anschlusspins 30 zweiseitige Pins sein, die in Anschlussbuchsen 32 des Gehäuses 21 der Halbbrückenmodule 14 gesteckt sind. Die Anschlusspins 30 können an einem oder an beiden Enden als Press-Fit-Pin ausgeführt sein. Es ist aber auch möglich, dass die Anschlusspins 30 fest in das Gehäuse der Halbbrückenmodule 14 integriert sind.
Die Anschlusspins 30 stellen Anschlüsse für DC+ (positive Gleichspannung), DC- (negative Gleichspannung) und AC (Wechselspannung) bereit. Für jeden Anschlusstyp (DC+, DC-, AC) sind mehrere Anschlusspins 30 vorhanden. Optional können auch Anschlusspins 30 für Steueranschlüsse, wie etwa für Gatesignale und/oder Sensorsignale, vorhanden sein. Jedes der Halbbrückenmodule 14 umfasst zwei zwischen DC+ und DC- in Reihe geschaltete Leistungshalbleiterschalter, zwischen denen der Wechselspannungs- Anschluss bereitgestellt ist.
Jede der Leiterplatten 16 weist Öffnungen 34 auf, in die die Anschlusspins 30 gesteckt sind. Zusätzlich sind die Leiterplatten 16 über in den Kühlkörper 12 integrierte Abstandsbolzen 36 direkt an den Kühlkörper 12 montiert. Die Befestigung kann über Schrauben 37 erfolgen, die in den Abstandsbolzen 36 vorgesehene Öffnungen 38 geschraubt sind. Es ist aber auch möglich, dass die Befestigung andersartig erfolgt.
Auf jeder Seite der Leistungselektronikanordnung 10 sind zwei Kondensatoren 18 vorgesehen, die ein im Wesentliches quaderförmiges Gehäuse 40 aufweisen, das an einer Anschlussseite 42 Anschlusspins 30 bereitstellt, die in Öffnungen 34 der jeweiligen Leiterplatte 16 gesteckt sind. Auch diese Anschlusspins 30 können Press-Fit- Pins sein. Für DC+ und DC- können jeweils mehrere Anschlusspins 30 vorgesehen sein. Die Kondensatoren 18 auf einer Seite des Kühlkörpers 12 können in einer Ebene angeordnet sein, die im Wesentlich parallel zum Kühlkörper 12 und/oder der Leiterplatte 16 verlaufen kann.
Über die Leiterplatte 16 sind die Kondensatoren 18 parallel geschaltet und mit den DC+ und DC- -Anschlüssen der Halbbrückenmodule 14 verbunden. Auf diese Weise wird aus den Kondensatoren 18 ein Gleichspannungszwischenkreis gebildet, aus dessen Gleichspannung die Halbbrückenmodule bei entsprechender Ansteuerung eine Wechselspannung erzeugen können (und umgekehrt).
Dazu sind in jeder Leiterplatte 16 elektrische Leiter 44 vorhanden, die in der Fig. 2 lediglich schematisch dargestellt sind. Beispielsweise können die Leiter 44 aus Metallschichten in der Leiterplatte 16 bereitgestellt werden. Die Leiterplatte 16 kann beispielsweise als mit metallischen Flächen beschichtete Kunststoffplatte ausgebildet sein. Weitere Leiter 44 in den Leiterplatten 16 verbinden die Wechselspannungs- Anschlüsse der Halbbrücken in den Halbbrückenmodulen 14 mit einem Wechsel- spannungs-Anschluss 46, über den die beiden Leiterplatten mit einem Brückenelement 48 elektrisch verbunden sind. Es ist möglich, dass die Leiterplatte 16 eine Mehrzahl von Öffnungen bzw. Buchsen 50 als AC-Anschluss bereitstellt und das Brückenelement am Ende eine Mehrzahl von Anschlusspins 30 bereitstellt, die in die Öffnungen 50 eingesteckt werden. Auch diese Anschlusspins 30 können Press-Fit- Pins sein.
Das Brückenelement 48, das einen Metallriegel umfassen kann und/oder mehrstückig ausgeführt sein kann, kann als Wechselspannungs-Anschluss 47 der Leistungselektronikanordnung 10 dienen. Die Gleichspannungs-Anschlüsse 49 der Leistungselektronikanordnung 10 können auf der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 16 angeordnet sein.
Die Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Leistungselektronikanordnung 10, die bis auf die folgenden Unterschiede genauso wie diejenige aus den Fig. 1 und 2 aufgebaut sein.
Bei der Fig. 3 ist lediglich ein Kondensator 18 pro Seite des Kühlkörpers 12 vorhanden. Dabei ist zu verstehen, dass ein Kondensator 18 eine Baugruppe ist, die lediglich ein Gehäuse 40 aufweist, das die Anschlusspins 30 bereitstellt. In diesem Gehäuse 40 können mehrere Kondensatorbauelemente vorhanden sein. Insgesamt wird je Seite des Kühlkörpers ein Kondensator 18 mit mehreren Halbbrückenmodulen 14 über die Leiterplatte 16 parallel geschaltet.
Weiter zeigt die Fig. 3, dass das Brückenelement 48 zum Verbinden der AC- Anschlüsse 46 der Leiterplatten 16 einstückig ausgeführt sein kann.
Die Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Leistungselektronikanordnung 10, bei der die Halbbrückenmodule 14, die Leiterplatte 16 und der Kondensator 18 lediglich auf einer Seite des Kühlkörpers 12 angeordnet sind. Die Halbbrückenmodule 14 sind in einer Ebene auf der Kühlfläche 20 des Kühlkörpers 12 montiert. Der Kühlkörper 12 weist einen Hohlraum 52 auf, der zum Flüssigkeitskühlen von einer Flüssigkeit durchströmt werden kann. Mit ihrer Kühlseite 22 schließen die Halbbrückenmodule 14 diesen Hohlraum 52 gegenüber der Umgebung ab. Es ist jedoch auch möglich, dass der Hohlraum 52 (bis auf die Kühlmittelanschlüsse) durch das Material des Kühlkörpers 12 gegenüber der Umgebung angeschlossen wird.
Der Kühlkörper 12 der Ausführungsformen aus den Fig. 1 bis 3 kann wie der Kühlkörper der Fig. 4 aufgebaut sein. Weiter ist es möglich, dass die Befestigung der Halbbrückenmodule 14 der Fig. 4 wie bei denen der Fig. 1 bis 3 erfolgt.
Die Leiterplatte 16 und/oder die Halbbrückenmodule 14 zusammen mit den Anschlusspins 30 der Fig. 4 können genauso wie bei denen der Fig. 1 bis 3 ausgeführt sein und umgekehrt. Es ist zu verstehen, dass pro Potential DC+, DC- und AC mehrere Anschlusspins 30 vorhanden sein können.
In der Fig. 4 ist gezeigt, dass die Leiter 44 metallische Schichten 54 auf beiden Seiten einer Kunststoffschicht 56 sein können. Die metallischen Schichten 54 können zum Bilden der Leiter 44 strukturiert sein. Es ist zu verstehen, dass die Anschlusspins jeweils mit nur einer der metallischen Schichten 54 verbunden sind. Es ist möglich, dass sich die Teile der metallischen Schichten 54 für verschiedene Leiter flächig überdecken. Die Öffnungen bzw. Buchsen 34 in der Leiterplatte 16 können mit Metall ausgekleidet sein, das mit einer der beiden metallischen Schichten 54 verbunden ist.
In der Fig. 4 ist weiter gezeigt, dass die Leiterplatte 16 und der Kondensator 18 in einer Baugruppe integriert sein können. Auf die Leiterplatte 16 sind ein oder mehrere Kondensatorbauelemente 58 befestigt, beispielsweise gelötet, und von einem Gehäuse 40 umgeben, dessen Unterseite von der Leiterplatte gebildet wird.
Bei der Fig. 4 weist der Kühlkörper zwischen den Halbbrückenmodulen 14 eine Durchgangsöffnung 60 auf (die nicht mit dem Hohlraum 52 zum Flüssigkeitsaustausch verbunden ist), durch die ein AC-Anschluss 62 für die Leistungselektronikan- Ordnung 10 geführt ist. Der AC-Anschluss 46 der Leiterplatte 16 befindet sich zwischen den Halbbrückenmodulen 14 und ist elektrisch mit dem AC-Anschluss 62 verbunden, beispielsweise über mehrere Anschlusspins 30, so wie es in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist.
Die Halbbrückenmodule 14 sind achsensymmetrisch um den gemeinsamen AC- Anschluss 46, 62 angeordnet. Der Kondensator 18 überspannt dabei den AC- Anschluss 46, 62. Im Allgemeinen kann sich der Kondensator 18 über dem AC- Anschluss 46, 62 oder seitlich daneben befinden. Es ergibt sich ein symmetrischer Aufbau der Kommutierungszelle.
In der Fig. 4 sind weitere Leiterplatten 64 gezeigt, die genauso wie die Leiterplatte 16 auf Anschlusspins 30 der Halbbrückenmodule 14 gesteckt sein können. Diese Leiterplatten 64 tragen Treiber zum Steuern der Halbleiterschalter in den Halbbrückenmodulen 14.
Die in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Leistungselektronikanordnungen 10 können als einphasige Leistungselektronikanordnung 10 aufgefasst werden, da an ihrem Wechsel- spannungs-Anschluss 62 eine Phase einer Wechselspannung bereitstellbar ist. Im Folgenden werden mehrphasige Leistungselektronikanordnungen 66 beschrieben, die aus der einphasigen Leistungselektronikanordnung 10 aufgebaut sein können.
Die in den Fig. 5 bis 9 gezeigten mehrphasigen Leistungselektronikanordnungen 66 umfassen wenigstens zwei und insbesondere drei einphasige Leistungselektronikanordnungen 10, die mit ihrem Gleichspannungs-Anschluss 49 elektrisch verbunden sind und mit einem Wechselspannungs-Anschluss 62 jeweils eine Phase bereitstellen. Der Gleichspannungs-Anschluss 49 kann beispielsweise mit einer Batterie verbunden werden. Die Wechselspannungs-Anschlüsse 62 können mit einem Elektromotor verbunden werden.
Bei der in der Fig. 5 gezeigten mehrphasigen Leistungselektronikanordnung 66 sind drei Leistungselektronikanordnungen 10, so wie sie in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind, derart nebeneinander angeordnet, dass die Kondensatoren 18, die Leiterplatte 16 und die Halbbrückenmodule 14 der Leistungselektronikanordnungen 10 auf einer Seite des Kühlkörpers 12 jeweils in einer Ebene angeordnet sind.
Weiter zeigt die Fig. 5, dass in diesem Fall der Kühlkörper 12 der einphasigen Leistungselektronikanordnungen 10 durch einen gemeinsamen Kühlkörper 12 bereitgestellt werden kann. Der gemeinsame Kühlkörper 12, der plattenförmig ausgebildet ist und/oder ebene Kühlflächen bereitstellt, kann über lediglich zwei Kühlmittel- Anschlüsse 67 alle einphasigen Leistungselektronikanordnungen 10 gleichzeitig kühlen.
Während in der Fig. 5 die einphasigen Leistungselektronikanordnungen 10 entlang einer Richtung parallel zu den Erstreckungsebenen des Kühlkörpers 12 und/oder der Leiterplatten 16 gestapelt sind, zeigt die mehrphasige Leistungselektronikanordnung 66 der Fig. 6, dass die einphasigen Leistungselektronikanordnungen 10 derart aufei- nandergestapelt sind, dass wenigstens ein Kondensator 18 einer Leistungselektronikanordnung 10 wenigstens einem Kondensator 18 einer weiteren Leistungselektronikanordnung 10 gegenüberliegt.
Im Fall der Fig. 6 sind die einphasigen Leistungselektronikanordnungen 10 entlang einer Richtung orthogonal zu den Erstreckungsebenen der Kühlkörper 12 und/oder der Leiterplatten 16 gestapelt.
Die Fig. 7 zeigt, wie die Gleichspannungs-Anschlüsse 49 auf einer Seite der einphasigen Leistungselektronikanordnungen 10 durch Parallelschaltung zu einem Gleichspannungs-Anschluss für die mehrphasige Leistungselektronikanordnung 66 aus der Fig. 6 zusammengeschaltet sind. Damit stellt die Leistungselektronikanordnung 66 an einer Seite mehrere (hier drei) Wechselspannungs-Anschlüsse 62 und auf einer gegenüberliegenden Seite einen Gleichspannungs-Anschluss 49 bereit.
Bei den mehrphasigen Leistungselektronikanordnungen 66 der Fig. 8 und 9 sind die Gleichspannungs-Anschlüsse 49 der einphasigen Leistungselektronikanordnungen 10 analog der Fig. 7 parallel geschaltet. Jedoch sind die drei Leistungselektronikanordnungen 10 sternförmig angeordnet, so dass die Gleichspannungs-Anschlüsse 49 der Leistungselektronikanordnungen 10 auf einen gemeinsamen Gleichspannungs- Verbindungsbereich 68 zuweisen, indem sie mit einer gemeinsamen Busschiene 70 miteinander elektrisch verbunden sind. Dies führt zu einer symmetrischeren Stromführung als wie in der Fig. 7.
In der Fig. 8 ist gezeigt, dass zwei einphasige Leistungselektronikanordnungen 10 im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sein können, während eine dritte einphasige Leistungselektronikanordnung 10 orthogonal dazu angeordnet ist und mit ihrer einphasigen Leistungselektronikanordnung 10 zwischen die beiden anderen einphasigen Leistungselektronikanordnungen 10 weist.
In der Fig. 9 sind die einphasigen Leistungselektronikanordnungen 10 axialsymmetrisch zu einer Achse durch den Verbindungsbereich 68 angeordnet. Es ist auch möglich, dass im Verbindungsbereich 68 zwei zueinander parallel angeordnete elektrisch leitende Platten 72 angeordnet sind, die orthogonal zu der Achse stehen.
Die mehrphasige Leistungselektronikanordnung 66 aus den Fig. 8 und 9 kann als Umrichter gut in ein kreisförmiges Gehäuse eingebaut werden, das beispielsweise direkt neben einer elektrischen Maschine angeordnet ist und mit dem Gehäuse der elektrischen Maschine fluchtet. Auch kann eine derartige mehrphasige Leistungselektronikanordnung 66 zusammen mit einer elektrischen Maschine direkt in ein gemeinsames Maschinengehäuse integriert werden.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass„umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und„eine“ oder„ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen. Bezugszeichen einphasige Leistungselektronikanordnung
Kühlkörper
Halbbrückenmodul
Leiterplatte
Kondensator
Kühlflächen
Gehäuse
Kühlseite
Schraube
Öffnung
Anschlussseite
Anschlusspin
Anschlussbuchse
Öffnung
Abstandsbolzen
Schraube
Öffnungen
Gehäuse
Anschlussseite
elektrische Leiter
Wechselspannungs-Anschluss Leiterplatte
Brückenelement
Gleichspannungs-Anschluss Leistungselektronikanordnung
Öffnung
Hohlraum
metallische Schicht
Kunststoffschicht/Kunststoffplatte
Kondensatorbauelement
Durchgangsöffnung
Wechselspannungs-Anschluss Leistungselektronikanordnung Treiber-Leiterplatte mehrphasige Leistungselektronikanordnung Gleichspannungs-Verbindungsbereich Busschiene
elektrisch leitende Platte

Claims

Patentansprüche
1. Leistungselektronikanordnung (10), umfassend:
einen Kühlkörper (12);
wenigstens zwei auf einer Seite des Kühlkörpers (12) montierte Halbbrückenmo- dule (14);
eine Leiterplatte (16), die auf die Halbbrückenmodule (14) montiert ist; und wenigstens einen Kondensator (18), der auf die Leiterplatte (16) montiert ist; wobei jedes der Halbbrückenmodule (14) ein Gehäuse (21 ) aufweist, das eine Kühlseite (22) aufweist, die auf den Kühlkörper (12) montiert ist, und das Gehäuse (21 ) eine Anschlussseite (28) aufweist, aus der eine Mehrzahl von Anschlusspins (30) je Gleichspannungsanschluss des Halbbrückenmoduls (14) ragen, die mit der Leiterplatte (16) verbunden sind;
wobei Leiter (44) in der Leiterplatte (16) dazu ausgeführt sind, die Halbbrückenmodule (14) parallel zu schalten und mit dem wenigstens einen Kondensator (18) zu einem Zwischenkreis zu verbinden.
2. Leistungselektronikanordnung (10), weiter umfassend:
wenigstens zwei auf eine gegenüberliegende Seite des Kühlkörpers (12) montierte gegenüberliegende Halbbrückenmodule (14);
eine auf die gegenüberliegenden Halbbrückenmodule (14) montierte gegenüberliegende Leiterplatte (16);
wenigstens einen gegenüberliegenden Kondensator (18), der auf die Halbbrückenmodule (14) montiert ist.
3. Leistungselektronikanordnung (10) nach Anspruch 2,
wobei die Leiterplatte (16) und die gegenüberliegende Leiterplatte (16) mit einem Brückenelement (48) verbunden sind, mit dem ein Wechselspannungs-Anschluss (46) der Halbbrückenmodule (14) auf der einen Seite des Kühlkörpers (12) mit einem Wechselspannungs-Anschluss (46) der Halbbrückenmodule (14) auf der gegenüberliegenden Seite elektrisch verbunden sind;
wobei das Brückenelement (48) einen Metallriegel umfasst.
4. Leistungselektronikanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlkörper (12) zwischen zwei Halbbrückenmodulen (14) eine Öffnung (60) aufweist, durch die ein Wechselspannungs-Anschluss (62), der mit der Leiterplatte (16) verbunden ist, zu einer gegenüberliegenden Seite des Kühlkörpers (12) geführt ist.
5. Leistungselektronikanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterplatte (16) als mit metallischen Schichten (54) beschichtete
Kunststoffplatte (56) ausgebildet ist.
6. Leistungselektronikanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kondensator (18) ein Gehäuse (40) aufweist, aus dem Anschlusspins
(30) ragen, die mit der Leiterplatte (16) verbunden sind.
7. Leistungselektronikanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens zwei Kondensatoren (18) mit gesonderten Gehäusen (40) auf die Leiterplatte (16) montiert sind und die wenigstens zwei Kondensatoren (18) über die Leiterplatte (16) parallel geschaltet sind.
8. Leistungselektronikanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei die Leiterplatte (16) in ein Gehäuse (40) des Kondensators (18) integriert ist;
wobei die Anschlusspins (30) der Halbbrückenmodule (14) in das Gehäuse (40) des Kondensators (18) gesteckt sind.
9. Leistungselektronikanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterplatte (16) über Abstandsbolzen (36) direkt mit dem Kühlkörper
(12) mechanisch verbunden ist.
10. Mehrphasige Leistungselektronikanordnung (66), umfassend:
wenigstens zwei Leistungselektronikanordnungen (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mit einem Gleichspannungs-Anschluss (49) elektrisch verbunden sind und mit einem Wechselspannungs-Anschluss (62) jeweils eine Phase bereitstellen.
11. Mehrphasige Leistungselektronikanordnung (66) nach Anspruch 10, wobei die wenigstens zwei Leistungselektronikanordnungen (10) derart aufei- nandergestapelt sind, dass wenigstens ein Kondensator (18) einer Leistungselektronikanordnung (10) wenigstens einem Kondensator (18) einer weiteren Leistungselektronikanordnung (10) gegenüberliegt.
12. Mehrphasige Leistungselektronikanordnung (66) nach Anspruch 10,
wobei die wenigstens zwei Leistungselektronikanordnungen (10) derart nebeneinander angeordnet sind, dass der wenigstens eine Kondensator (18) und die Leiterplatte (16) einer Leistungselektronikanordnung (10) neben dem wenigstens einen Kondensator (18) und der Leiterplatte (16) einer weiteren Leistungselektronikanordnung (10) angeordnet sind;
wobei der Kühlkörper (12) der wenigstens zwei Leistungselektronikanordnungen (10) durch einen gemeinsamen Kühlkörper (12) bereitgestellt ist.
13. Mehrphasige Leistungselektronikanordnung (66) nach Anspruch 10,
wobei wenigstens drei Leistungselektronikanordnungen (10) sternförmig angeordnet sind, so dass Gleichspannungs-Anschlüsse (49) der Leistungselektronikanordnungen (10) auf einen gemeinsamen Gleichspannungs-Verbindungsbereich (68) zuweisen, indem sie mit einer gemeinsamen Busschiene (70) miteinander elektrisch verbunden sind.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11153996B2 (en) 2019-12-18 2021-10-19 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Thermal management assemblies for electronic assemblies mounted on a motor end
US11246244B2 (en) 2018-02-19 2022-02-08 Zf Friedrichshafen Ag Power electronics assembly

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113906836A (zh) * 2019-03-18 2022-01-07 迪西贝尔公司 用于功率转换器的冷却系统
WO2020187396A1 (en) * 2019-03-19 2020-09-24 HELLA GmbH & Co. KGaA Electrical apparatus comprising a power semiconductor module and at least one capacitor
DE102019217343A1 (de) * 2019-11-11 2021-05-12 Zf Friedrichshafen Ag Wechselrichter mit einem Kühlkörper
DE102020200302A1 (de) * 2020-01-13 2021-07-15 Zf Friedrichshafen Ag Leistungsmodulzusammenstellung und Wechselrichter
EP3930115A1 (de) * 2020-06-23 2021-12-29 Eltek AS Outdoor-stromversorgungssystem mit einem passiven kühlsystem
US11515802B2 (en) * 2020-12-15 2022-11-29 Caterpillar Inc. Modular configurable inverter and systems, components, and methods thereof
DE102021106594A1 (de) 2021-03-18 2022-09-22 Fachhochschule Kiel Niederinduktive hochintegrierte schaltungsanordnung
DE102021115272A1 (de) 2021-06-14 2022-12-15 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Elektrische Schaltungsanordnung und elektrische Antriebsanordnung
DE102022204400A1 (de) 2022-05-04 2023-11-09 Volkswagen Aktiengesellschaft Wechselrichter mit mindestens einer Halbbrücke
DE102022210716A1 (de) 2022-10-11 2024-04-11 Magna powertrain gmbh & co kg Baugruppe mit Stromrichter zum Umwandeln elektrischer Strom- und Spannungsarten und Verfahren zum Herstellen einer Baugruppe mit Stromrichter

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4333387A1 (de) * 1992-09-30 1994-03-31 Mitsubishi Electric Corp Stromrichter und Verwendung desselben
EP2254228A1 (de) * 2009-05-20 2010-11-24 ABB Schweiz AG Leistungselektronisches Schaltmodul sowie System mit solchen Schaltmodulen
DE102012210677A1 (de) * 2011-08-15 2013-02-21 Lear Corporation Leistungsmodul-Kühlsystem
DE102012222011A1 (de) * 2012-11-30 2014-06-05 Semikron Elektronik Gmbh & Co. Kg Leistungshalbleitermodulsystem
US20170194878A1 (en) * 2016-01-05 2017-07-06 Atse, Llc Power converter
EP3206468A1 (de) * 2016-02-15 2017-08-16 Siemens Aktiengesellschaft Umrichter mit gleichspannungszwischenkreis

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE8909246U1 (de) * 1989-07-31 1989-09-21 Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen, De
DE4305793A1 (de) * 1993-02-25 1994-09-01 Telefunken Microelectron Leistungsmodul
US6954368B1 (en) * 1996-07-22 2005-10-11 HYDRO-QUéBEC Low stray interconnection inductance power converting molecule for converting a DC voltage into an AC voltage, and a method therefor
EP0998019B1 (de) * 1998-10-30 2009-02-25 Continental Automotive GmbH Halbleiter-Schaltungszusammenbau, insbesondere Hochstromumrichter mit niedriger Zwischenkreisspannung
DE10239512A1 (de) * 2002-08-28 2004-03-11 Minebea Co. Ltd., A Japanese Corporation Anordnung zur Unterbringung der Leistungs- und Steuerelektronik eines Elektromotors
JP4848187B2 (ja) * 2006-01-17 2011-12-28 日立オートモティブシステムズ株式会社 電力変換装置
JP4918795B2 (ja) * 2006-03-16 2012-04-18 富士電機株式会社 パワーエレクトロニクス機器
US7791208B2 (en) * 2007-09-27 2010-09-07 Infineon Technologies Ag Power semiconductor arrangement
US7808100B2 (en) * 2008-04-21 2010-10-05 Infineon Technologies Ag Power semiconductor module with pressure element and method for fabricating a power semiconductor module with a pressure element
JP5516066B2 (ja) * 2009-06-24 2014-06-11 株式会社デンソー 駆動装置
US8064198B2 (en) * 2009-06-29 2011-11-22 Honda Motor Co., Ltd. Cooling device for semiconductor element module and magnetic part
EP2495858A1 (de) * 2011-03-01 2012-09-05 Rheinisch-Westfälisch-Technische Hochschule Aachen Bidirektionaler Gleichspannungswandler
JP5821890B2 (ja) * 2013-04-17 2015-11-24 トヨタ自動車株式会社 電力変換装置
DE102015101086B4 (de) * 2015-01-26 2018-04-12 Infineon Technologies Ag Leistungshalbleitermodulanordnung
DE102015113503A1 (de) * 2015-08-14 2017-02-16 Schweizer Electronic Ag Elektronisches Schaltelement und modular aufgebauter Stromrichter
DE102015115271B4 (de) * 2015-09-10 2021-07-15 Infineon Technologies Ag Elektronikbaugruppe mit entstörkondensatoren und verfahren zum betrieb der elektronikbaugruppe
DE102016112777B4 (de) * 2016-07-12 2021-03-18 Semikron Elektronik Gmbh & Co. Kg Leistungshalbleitereinrichtung
US10212838B2 (en) * 2017-01-13 2019-02-19 Cree Fayetteville, Inc. High power multilayer module having low inductance and fast switching for paralleling power devices
JP7162013B2 (ja) * 2017-05-02 2022-10-27 ヒタチ・エナジー・スウィツァーランド・アクチェンゲゼルシャフト Ｄｃ端子の同軸配列を有するハーフブリッジモジュール
DE102018202484A1 (de) 2018-02-19 2019-08-22 Zf Friedrichshafen Ag Leistungselektronikanordnung

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4333387A1 (de) * 1992-09-30 1994-03-31 Mitsubishi Electric Corp Stromrichter und Verwendung desselben
EP2254228A1 (de) * 2009-05-20 2010-11-24 ABB Schweiz AG Leistungselektronisches Schaltmodul sowie System mit solchen Schaltmodulen
DE102012210677A1 (de) * 2011-08-15 2013-02-21 Lear Corporation Leistungsmodul-Kühlsystem
DE102012222011A1 (de) * 2012-11-30 2014-06-05 Semikron Elektronik Gmbh & Co. Kg Leistungshalbleitermodulsystem
US20170194878A1 (en) * 2016-01-05 2017-07-06 Atse, Llc Power converter
EP3206468A1 (de) * 2016-02-15 2017-08-16 Siemens Aktiengesellschaft Umrichter mit gleichspannungszwischenkreis

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11246244B2 (en) 2018-02-19 2022-02-08 Zf Friedrichshafen Ag Power electronics assembly
US11153996B2 (en) 2019-12-18 2021-10-19 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Thermal management assemblies for electronic assemblies mounted on a motor end

Also Published As

Publication number Publication date
DE102018202484A1 (de) 2019-08-22
US20210014999A1 (en) 2021-01-14
CN111615869A (zh) 2020-09-01
CN111615869B (zh) 2022-08-09
US11246244B2 (en) 2022-02-08

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