WO2022223448A1 - Inverteraufbau eines elektronikmoduls für einen elektroantrieb eines fahrzeugs - Google Patents

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WO2022223448A1
WO2022223448A1 PCT/EP2022/060069 EP2022060069W WO2022223448A1 WO 2022223448 A1 WO2022223448 A1 WO 2022223448A1 EP 2022060069 W EP2022060069 W EP 2022060069W WO 2022223448 A1 WO2022223448 A1 WO 2022223448A1
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current
heat sink
inverter structure
phase
inverter
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PCT/EP2022/060069
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Inventor
Ake Ewald
Original Assignee
Zf Friedrichshafen Ag
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/209—Heat transfer by conduction from internal heat source to heat radiating structure

Definitions

  • the present invention relates to the field of electric mobility, in particular electronic modules for an electric drive.
  • DC/AC inverters inverters
  • the electronic modules include a large number of electronic components with which bridge circuits (such as half bridges) are implemented, for example semiconductor power switches, which are also referred to as power semiconductors.
  • Linking microelectronic and non-electronic microcomponents to form a complete system usually requires the use of so-called assembly and connection technology for the electronic modules, especially inverters. This is a complex process that causes high costs for the manufacture of inverters.
  • frame modules are therefore used with established semiconductor materials (e.g. silicon).
  • power semiconductors ie semiconductor power switches in the form of high-side and low-side switches HS and LS, which together form a half-bridge, are contacted on both sides and arranged one behind the other starting from the intermediate circuit capacitor. This means that they are not arranged next to each other, but face each other with their electrical contact connections, from which the AC current is tapped, so that, for example, the HS is closer to the intermediate circuit than that of the LS.
  • a multi-dimensional busbar concept may be necessary, resulting in increased demands on the busbar cross-sections in order to carry the required currents.
  • This also means that the AC busbars for the phases at the ends of the inverter are very long and that the DC busbars cannot be routed with low inductance.
  • all modules have to be cooled one after the other in a row, which means that the last module has a significantly higher cooling water temperature at its entrance. So it can't be like that are heavily loaded because the temperature difference between the semiconductor and the cooling water is lower. This can lead to an artificial limitation of the total output of the inverter.
  • the power semiconductors HS and LS which are contacted on both sides, are arranged adjacent to one another around the intermediate circuit. Their electrical contact connections on the input side point towards the intermediate circuit. This results in a shorter commutation cell and a low-inductance DC busbar.
  • the disadvantage here is that an essentially square shape is created, which cannot easily be integrated into an elongate installation space that is usually provided.
  • a discrete inverter structure is provided, which among other things improves the area requirement.
  • a sandwich arrangement is provided, in which the heat sink is arranged on the intermediate circuit capacitor.
  • the power semiconductors HS and LS are in turn arranged on the heat sink on the opposite side of the intermediate circuit capacitor and parallel to one another.
  • their DC connections point in the same direction.
  • Their AC connections, where the alternating current generated is tapped also point in the same direction, but are opposite the DC connections.
  • the inverter is therefore constructed in the form of a matrix in which the phases are arranged in the direction of a first axis, and in which an increase in power, i.e. an increase in the number of semiconductor switches HS or LS contacted on both sides, is increased by 90 degree rotated direction.
  • a relatively large area is also required here.
  • the invention is therefore based on the object of providing an inverter structure that requires even less space. This object is achieved by an inverter structure of an electronics module and the use of such an electronics module with the inverter structure in a vehicle according to the independent claims. Advantageous configurations are the subject matter of the dependent claims.
  • the inverter has at least one current phase arranged along a first axis, also referred to simply as a phase, and for each current phase an input-side current connection arranged along the first axis for coupling in a DC input current generated by an energy source.
  • the current phase(s) are provided for decoupling an AC output current which is generated based on the DC input current and which is generated by a semiconductor-based bridge circuit.
  • at least one heat sink arranged on an underside of the current phase is provided. This also extends along the first axis.
  • the semiconductor-based bridge circuit has at least one semiconductor module for each current phase, each of which has at least one half-bridge, each consisting of a high-side switch HS that can be electrically contacted on one side and a low-side switch that is arranged adjacent to the high-side switch HS and can be electrically contacted on one side.
  • Switch LS is formed.
  • At least one half-bridge formed from a high-side switch HS that can be electrically contacted on one side and a low-side switch LS that can be electrically contacted on one side is arranged on at least one side of the heat sink and between the heat sink and the input-side power connection in such a way that its electrical contacts are on the underside of the power phase opposite show top.
  • two or three or a multiple of two or three power phases are provided, each with a semiconductor module.
  • the current phases and thus the semiconductor modules are arranged parallel to one another.
  • each semiconductor switch HS / LS By arranging the semiconductor switch HS / LS perpendicular to the plane in which they are previously arranged, surface and space in this plane due to the lower cross-sectional area can be saved. Due to the multi-part design of the heat sink, cooling can take place for each phase and the semiconductor switches can be arranged on both sides of the heat sink. The parallel cooling of the individual phases also reduces the thermal disadvantage of serial cooling of several phases. Due to the discrete structure of each semiconductor module, including the associated heat sink, modules can be provided of which one or more can be mounted parallel to one another on the intermediate circuit. This means that a modular design is possible.
  • the DC power supply is provided by means of DC-/DC+ rails running parallel to the side of the heat sink along the first axis (x) and arranged parallel to one another, a low-inductance intermediate circuit can be routed to the semiconductor switches. That is, a short commutating cell can be achieved.
  • both sides of the heatsink can be equipped with HS/LS, resulting in a compact design.
  • the high-side switches and the low-side switches are located closer to the heatsink than to the input power connector.
  • the high-side switches and the low-side switches touch and/or are attached to the heat sink.
  • the heatsink has an internal structure formed to provide thermal coupling for the high-side switches and the low-side switches.
  • the internal structure is advantageously a PinFin structure. The closer the components to be cooled, in this case the high-side switches and the low-side switches, are arranged to the heat sink, the better the cooling effect. The better the heat is coupled into the heat sink, which is favored by an internal structure, the better the components to be cooled, in this case the high-side switches and the low-side switches, can be cooled.
  • an additional cooling structure also referred to as a cooling collector, is provided at the end areas of the current phases, with which the heat sink is transferred in a sealing manner, ie via a seal.
  • the additional cooling structure is advantageously formed in such a way that it enables serial or parallel cooling of the strands of the current phases. Depending on the design, all phases can be cooled together or separately.
  • different types of power semiconductors with a wide bandgap are provided for each HS and each LS of a semiconductor module. In this way, different requirements for the semiconductor switches, e.g. faster switching of just one of the semiconductor switches, can be better implemented.
  • the inverter structure has an intermediate circuit connected in parallel with the bridge circuit and having at least one capacitor.
  • FIG. 1 shows a top view of an inverter structure with three phases AC1-AC3 and three semiconductor modules according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows an enlarged plan view of one of the semiconductor modules of the inverter structure shown in FIG.
  • FIG. 3 shows a sectional view of the semiconductor module illustrated in FIG.
  • the space requirement in the x-y plane is too large for some applications in the case of semiconductor switches that can be electrically contacted on both sides, that is to say high-side switches HS and low-side switches LS.
  • an inverter structure is proposed in which an HS and LS that can be electrically contacted on one side, e.g. TO-247-4, can be used. Since these HS and LS are in the z plane, i.e. perpendicular to the x-y plane, i.e. the plane in which the HS and LS previously had their extension, space is saved in this plane because the cross-sectional area is smaller than in the previous ones orders
  • Each high-side switch HS and/or the low-side switch LS includes one or more power semiconductor components, also referred to as semiconductors for short in connection with this application, such as IGBT or MOSFET.
  • One HS and one LS each form a half-bridge of the bridge circuit.
  • the bridge circuit can be applied to a printed circuit board 12 so that the circuit breakers can be electrically and/or signal-connected to a control device such as an electronic control unit (ECU) of the vehicle by means of electrical contacts present on the components side of the printed circuit board 12 .
  • ECU electronice control unit
  • the control device is therefore able to control the circuit breakers HS or LS for the purpose of operating the electric drive, in particular for the purpose of energizing the electric machine, of a vehicle equipped with a corresponding drive.
  • the printed circuit board can have a printed circuit board (e.g. PCB) or a flexible printed circuit board.
  • FIG. 1 shows an inverter structure with three phases AC1-AC3, while FIGS. 2 and 3 each show a phase AC2 enlarged in order to clarify the principle of the invention.
  • phase AC1; AC2; AC3 can be provided with a semiconductor module or two or more phases (with the corresponding number of semiconductor modules), e.g. a multiple of two or three, e.g. six, nine, twelve etc.
  • the more phases AC1 -AC3 and the more power, i.e. the more Power semiconductors per phase AC1-AC3 are provided, the better the advantages of the inverter structure according to the invention become apparent.
  • the inverter structure shown schematically in FIG. 1 shows a semiconductor module for each electrical phase AC1-AC3.
  • Each semiconductor module is also a heat sink 13 is provided, on top of which 0 the associated electrical phase AC1-AC3 is assigned.
  • An intermediate circuit (not shown) with at least one capacitor is generally provided on its underside U.
  • FIGS. 2 and 3 show a more detailed representation of only one phase AC2 to clarify the structure.
  • Each semiconductor module has at least one half-bridge, which is formed from an HS that can be electrically contacted on one side and an LS that is arranged and connected adjacent to it and can be electrically contacted on one side.
  • the HS and LS are arranged alternately on one side S of the heat sink 13, as shown in FIG.
  • the HS and LS can be placed on either side S of the heat sink 13. Depending on the number of half-bridges made up of HS and LS, which are arranged in the x-direction, only one side S can be populated, or both sides S are populated.
  • the DC power is supplied via DC-/DC+ rails arranged in parallel and at a distance from the S side of the heat sink 13 .
  • the HS and LS are arranged between the heat sink 13 and the DC-/DC+ rails and are connected to them at the corresponding electrical contacts (drain and source of the semiconductors).
  • the contact legs pointing to the top 0 are advantageously bent at an angle of 90 degrees to the DC-/DC+ rail.
  • the DC power supply with the DC-/DC+ rails, HS and LS and heat sink 13 (with the surface of its side S) are thus arranged parallel to one another.
  • Kelvin source if IN ANY
  • the gate of the HS or LS can be contacted in a simple manner with a driver board or circuit board 12 provided above the current - phases AC1-AC3 who the without being bent , as indicated in FIG.
  • semiconductor modules can be connected in parallel in this arrangement (ie lengthened in the y-direction) without any adverse effect on the electrical connection of the semiconductor modules.
  • the inverter design enables the use of different semiconductor types within one inverters.
  • the semiconductor types selected are advantageously those that allow active switching and have a wide band gap or wide band gap, such as Si-IGBT, SiC MOSFET, SiC cascode, GaN. This means that not only different power semiconductors can be used in the inverter structure, but also different types of semiconductors can be used simultaneously within the inverter structure, ie within each semiconductor module.
  • the heat sink 13 is used to dissipate the heat generated by the power semiconductors, ie the HS or LS, of the inverter.
  • a heat sink 13 is advantageously provided for each semiconductor module, so that each phase AC1-AC3 has its own heat sink 13 and thus its own cooling line. In this way, the cooling can be tailored to the components used in the respective semiconductor module, i.e. a dedicated cooling area is provided. It is advantageous if the HS/LS are arranged as close as possible to the heat sink 13 or even touch it. You can also be attached to the heat sink 13.
  • the discrete design means that a modular design can be implemented, in which the semiconductor module can be provided together with the associated heat sink 13 as an associated module, several of which can easily be provided next to one another in parallel, i.e. one per current phase AC1 -AC3 , as shown in Figure 1.
  • the cooling strands of the heat sink 131, of which there is one for each electrical phase AC1-AC3, can either be designed separately or combined in the area outside the DC busbars.
  • each heat sink 13 has an internal structure that is formed to provide thermal coupling for the high-side switches HS and the low-side switches LS.
  • a structure is, for example, a PinFin structure.
  • the cooling strands of the heat sink 13, of which there is advantageously one for each electrical current phase AC1-AC3, are brought together in a sealing manner in an additional cooling structure 132 in the area outside the DC-/DC+ busbars.
  • a seal 131 is provided for this purpose at the end of the DC-/DC+ busbars for each current phase AC1-AC3.
  • the additional cooling structure 132 can provide serial or (as shown in FIG. 1) parallel cooling of the power phases AC1-AC3.
  • the cooling collector takes place on the housing 11 and, as shown in FIG. 1, can be provided on the side. But it can also be done from the bottom U ago.
  • the thermal disadvantage of serial cooling is reduced by providing parallel cooling of the individual phases AC1-AC3, ie separate cooling for each phase AC1-AC3.
  • the different cooling requirements of the power semiconductors provided on the semiconductor module of the respective phase AC1-AC3, i.e. high-side switch HS and low-side switch LS, can be addressed.
  • the electronics module advantageously includes an intermediate circuit (not shown), which has an intermediate circuit capacitor. This is arranged below the heat sink 13 .
  • the intermediate circuit capacitor can be monolithic. Alternatively, it can be designed in various discretization steps up to individual housings per roll.
  • a capacitor housing can also be provided for each phase AC1-AC3 in order to enable simpler partial assembly of the inverter as well as a more flexible arrangement of the phases AC1-AC3.
  • connection between the bridge circuit and the printed circuit board and/or the connection between the printed circuit board and the cooler is preferably in the form of an adhesive, screw, welded, plug and/or clamp connection.
  • An electronic module within the scope of this invention is used to operate an electric drive of a vehicle, in particular an electric vehicle and/or a hybrid rid vehicle.
  • the electronics module includes a DC/AC inverter (Engl .: Inverter) with the described inverter structure or a part thereof.
  • the electronics module can also be an AC/DC rectifier (Engl.: Rectifier), a DC/DC converter (Engl.: DC/DC Converter), transformer (Engl.: Transformer) and/or ei NEN other electrical converter or comprise or be part of such a transducer.
  • the electronics module serves to energize an electric machine, for example an electric motor and/or a generator.
  • a DC/AC inverter is preferably used to generate a multi-phase alternating current from a direct current generated by means of a DC voltage from an energy source, such as a battery.

Landscapes

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Abstract

Inverteraufbau eines Elektronikmoduls für einen Elektroantrieb eines Fahrzeugs Vorgeschlagen wird ein Inverteraufbau eines Elektronikmoduls für einen Elektroantrieb eines Fahrzeugs. Der Inverter weist mindestens eine entlang einer ersten Achse angeordnete Stromphase, auch lediglich als Phase bezeichnet, und je Stromphase einen entlang der ersten Achse angeordneten eingangsseitigen Stromanschluss zum Einkoppeln eines mittels einer Energiequelle erzeugten DC-Eingangsstroms auf. Die Stromphase(n) sind zum Auskoppeln eines basierend auf dem DC-Eingangsstrom erzeugten AC-Ausgangsstroms vorgesehen, der von einer halbleiterbasierten Brückenschaltung erzeugt wird. Außerdem ist mindestens ein auf einer Unterseite der Stromphase angeordneter Kühlkörper vorgesehen. Ferner weist die halbleiterbasierte Brückenschaltung je Stromphase mindestens ein Halbleitermodul auf, das jeweils mindestens eine Halbbrücke aufweist, die aus jeweils einem einseitig elektrisch kontaktierbaren Highside-Schalter HS und einem benachbart zu dem Highside-Schalter HS angeordneten und einseitig elektrisch kontaktierbaren Lowside-Schalter LS gebildet ist. Mindestens eine aus einseitig elektrisch kontaktierbaren Highside-Schalter HS und einseitig elektrisch kontaktierbaren Lowside-Schalter LS gebildete Halbbrücke ist auf mindestens einer Seite des Kühlkörpers und zwischen Kühlkörper und eingangsseitigem Stromanschluss derart angeordnet, dass ihre elektrischen Kontakte zu einer der Unterseite der Stromphase gegenüberliegenden Oberseite weisen.

Description

Inverteraufbau eines Elektronikmoduls für einen Elektroantrieb eines Fahrzeugs
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Elektronikmodule für einen Elektroantrieb.
Die Verwendung von Elektronikmodulen, etwa Leistungselektronikmodulen, bei Kraft fahrzeugen hat in den vergangenen Jahrzehnten stark zugenommen. Dies ist einer seits auf die Notwendigkeit, die Kraftstoffeinsparung und die Fahrzeugleistung zu verbessern, und andererseits auf die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zurück zuführen. Ein prominentes Beispiel für solche Elektronikmodule stellen DC/AC- Wechselrichter (Inverter) dar, die dazu dienen, elektrische Maschinen wie Elektromo toren oder Generatoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Zu diesem Zweck umfassen die Elektronikmodule eine Vielzahl von Elektronikbauteilen, mit denen Brü ckenschaltungen (etwa Halbbrücken) realisiert werden, beispielsweise Halbleiterleis tungsschalter, die auch als Leistungshalbleiter bezeichnet werden.
Die Verknüpfung von mikroelektronischen und nichtelektronischen Mikrokompnenten zum vollständigen System erfordert bei den Elektronikmodulen, insbesondere Wech selrichtern, in der Regel den Einsatz der sogenannten Aufbau- und Verbindungs technik. Es handelt sich hierbei um ein aufwändiges Verfahren, welches hohe Kosten für die Herstellung von Wechselrichtern verursacht. Um den Herstellungsaufwand zu reduzieren und zugleich eine hinreichend hohe Leistungsdichte zu erreichen, werden bei etablierten Halbleitermaterialien (z. B. Silizium) daher Rahmenmodule eingesetzt.
Derartige Rahmenmodule sind jedoch nicht beim Einsatz von neuartigen Halbleitern mit breitem Bandabstand (Wde-Bandgap) wie Siliziumcarbid (SiC) oder Gallium- Nitrid (GaN) gleichermaßen verfügbar wie bei den etablierten Halbleitern. Dies führt zu einer verstärkten Abhängigkeit von einer kleinen Anzahl von Lieferanten derartiger Rahmenmodule, sodass unter Umständen mit Lieferknappheit oder erhöhten Preisen gerechnet werden muss. Gerade für Serienproduktion mit großer Stückzahl sind Rahmenmodule aus diesen Gründen nachteilig, zumal große Rahmenmodule den zusätzlichen Nachteil der schlechten Skalierbarkeit des Ausgangsstroms aufweisen.
Zur Umgehung der oben erwähnten Probleme wurde ein Verfahren entwickelt, das auf dem Fachgebiet als Discrete Powerswitch Packaging bekannt ist. Bei diesem Verfahren wird der Strom ausgehend vom Batterieanschluss des Wechselrichters an einen Zwischenkreis-Kondensator geleitet.
In bisher bekannten Anordnungen sind Leistungshalbleiter, also Halbleiterleistungs schalter in Form von High-Side bzw. Low-Side Schalter HS bzw. LS, die zusammen eine Halbbrücke bilden, beidseitig kontaktiert und ausgehend von dem Zwischen kreis-Kondensator hintereinander angeordnet. Das heißt, sie sind nicht nebeneinan der angeordnet, sondern liegen sich mit ihren elektrischen Kontaktanschlüssen, an denen der AC-Strom abgenommen wird, gegenüber, so dass z.B. der HS näher am Zwischenkreis ist als der des LS.
Bei dieser Anordnung gibt es mehrere Nachteile. Einer davon ist, dass die elektrische Kommutierung im DC-Bereich aufgrund der unterschiedlichen Länge der Strom pfade des HS und des LS nicht symmetrisch ist. Diese unsymmetrische Anordnung führt zu einer weiträumigen Kommutierungszelle, die mit erhöhten Streuinduktivitäten behaf tet ist und bei der sich das Schaltverhalten der Leistungshalbleiter verschlechtert. Ein weiterer Nachteil ist, dass der Inverter bei einer Vergrößerung der Anzahl paralleler Module jeweils um die Anzahl der parallelen Module (Mal der elektrischen Phasen) in einer Dimension, der Länge x, wächst. Außerdem erfordert dieser serielle Aufbau der Leistungsschalter ein kompliziertes Konzept zum Einkoppeln des DC-Stroms aus der Energiequelle und zum Auskoppeln des AC-Stroms an die E -Maschine (etwa den Elektromotor). Beispielsweise kann ein mehrdimensionales Busbarkonzept nötig sein, woraus eine erhöhte Anforderung an die Busbar-Querschnitte resultiert, um die benötigten Ströme zu tragen. Das heißt auch, dass die AC-Verschienung für die Phasen an den Enden des Inverters sehr lang werden, und dass die DC- Verschienung nicht niederinduktiv geführt werden kann. Außerdem müssen alle Mo dule in Reihe nacheinander gekühlt werden, womit das letzte Modul eine deutlich höhere Kühlwassertemperatur an seinem Eingang aufweist. Somit kann es nicht so stark belastet werden, da die Temperaturdifferenz zwischen dem Halbleiter und dem Kühlwasser geringer ist. Dies kann zu einer künstlichen Einschränkung der Gesamt leistung des Inverters führen.
In einer alternativen, von der Anmelderin vorgeschlagenen Anordnung sind die beid seitig kontaktierten Leistungshalbleiter HS bzw. LS benachbart zueinander um den Zwischenkreis angeordnet. Ihre eingangsseitigen elektrischen Kontaktanschlüsse weisen zum Zwischenkreis. Somit wird eine kürzere Kommutierungszelle und eine niederinduktive DC-Verschienung erreicht. Nachteilig ist hierbei, dass eine im We sentlichen quadratische Form entsteht, die nicht in einfacher Weise in einen übli cherweise vorgesehenen länglichen Bauraum integrierbar ist.
Bei den oben aufgeführten Invertern werden ebene Anordnungen der Halbleiter ver wendet, was zu einem großen Flächenbedarf der Halbleiter in den diskreten Gehäu sen führt.
In einer alternativen, ebenfalls von der Anmelderin vorgeschlagenen Anordnung ist ein diskreter Inverteraufbau vorgesehen, der unter anderem den Flächenbedarf ver bessert. Bei diesem ist eine Sandwichanordnung vorgesehen, in welcher der Kühl körper auf dem Zwischenkreiskondensator angeordnet ist. Die Leistungshalbleiter HS bzw. LS wiederum sind auf dem Kühlkörper auf der entgegengesetzten Seite des Zwischenkreiskondensators und parallel nebeneinander angeordnet. Außerdem wei sen ihre DC-Anschlüsse in dieselbe Richtung. Ihre AC-Anschlüsse, an denen der erzeugte Wechselstrom abgenommen wird, weisen ebenfalls in dieselbe Richtung, liegen aber den DC-Anschlüssen gegenüber. Der Inverter ist also in Form einer Mat rix aufgebaut, in der die Phasen in Richtung einer ersten Achse angeordnet sind, und in der eine Erhöhung der Leistung, also eine Erhöhung der Anzahl der beidseitig kon taktierten Halbleiterschalter HS bzw. LS in eine dazu um 90 Grad gedrehte Richtung erfolgt. Auch hier wird noch eine relativ große Fläche benötigt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Inverteraufbau bereitzustel len, bei dem ein noch kleinerer Flächenbedarf vorhanden ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Inverteraufbau eines Elektronikmoduls und die Verwendung eines solchen Elektronikmoduls mit dem Inverteraufbau in einem Fahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Vorgeschlagen wird ein Inverteraufbau eines Elektronikmoduls für einen Elektroan trieb eines Fahrzeugs. Der Inverter weist mindestens eine entlang einer ersten Achse angeordnete Stromphase, auch lediglich als Phase bezeichnet, und je Strom phase einen entlang der ersten Achse angeordneten eingangsseitigen Stromanschluss zum Einkoppeln eines mittels einer Energiequelle erzeugten DC-Eingangsstroms auf. Die Stromphase(n) sind zum Auskoppeln eines basierend auf dem DC-Eingangsstrom erzeugten AC-Ausgangsstroms vorgesehen, der von einer halbleiterbasierten Brü ckenschaltung erzeugt wird. Außerdem ist mindestens ein auf einer Unterseite der Stromphase angeordneter Kühlkörper vorgesehen. Dieser erstreckt sich ebenfalls entlang der ersten Achse.
Ferner weist die halbleiterbasierte Brückenschaltung je Strom phase mindestens ein Halbleitermodul auf, das jeweils mindestens eine Halbbrücke aufweist, die aus je weils einem einseitig elektrisch kontaktierbaren Highside-Schalter HS und einem be nachbart zu dem Highside-Schalter HS angeordneten und einseitig elektrisch kontak tierbaren Lowside-Schalter LS gebildet ist. Mindestens eine aus einseitig elektrisch kontaktierbaren Highside-Schalter HS und einseitig elektrisch kontaktierbaren Lowsi de-Schalter LS gebildete Halbbrücke ist auf mindestens einer Seite des Kühlkörpers und zwischen Kühlkörper und eingangsseitigem Stromanschluss derart angeordnet, dass ihre elektrischen Kontakte zu einer der Unterseite der Strom phase gegenüber liegenden Oberseite weisen.
In einer Ausführung sind zwei oder drei oder ein Vielfaches von zwei oder drei Stromphasen mit je einem Halbleitermodul vorgesehen. Die Stromphasen und damit die Halbleiterm odule sind parallel zueinander angeordnet.
Durch Anordnen der Halbleiterschalter HS/LS senkrecht zur Ebene, in der sie bisher angeordnet werden, kann Fläche und damit Bauraum in dieser Ebene aufgrund der geringeren Querschnittsfläche eingespart werden. Durch die mehrteilige Ausführung des Kühlkörpers kann eine Kühlung je Phase erfolgen und die Halbleiterschalter können auf beiden Seiten des Kühlkörpers angeordnet werden. Durch die parallele Kühlung der einzelnen Phasen wird außerdem der thermische Nachteil einer seriellen Kühlung mehrerer Phasen reduziert. Durch den diskreten Aufbau jedes Halbleitermoduls inklusive zugehörigem Kühlkörper können Module bereitgestellt werden, von denen eines oder mehrere parallel zueinander auf dem Zwischenkreis montiert werden können. Das heißt, es ist eine modulare Bauweise möglich.
Da die DC-Stromversorgung mittels parallel zur Seite des Kühlkörpers entlang der ersten Achse (x) verlaufender und parallel zueinander angeordneter DC-/DC+- Schienen erfolgt, kann ein niederinduktiv Zwischenkreis bis zu den Halbleiterschaltern geführt werden. Das heißt, es kann eine kurze kommutierende Zelle erreicht werden.
Da die HS/LS zwischen den DC-/DC+-Schienen und einer Seite des Kühlkörpers jeweils parallel dazu angeordnet sind, können beide Seiten des Kühlkörpers mit HS/LS bestückt werden, so dass ein kompaktes Design resultiert.
In einer Ausführung sind die Highside-Schalter und die Lowside-Schalter näher am Kühlkörper als am eingangsseitigen Stromanschluss angeordnet. Vorteilhaft berühren die Highside-Schalter und die Lowside-Schalter den Kühlkörper und/oder sind daran befestigt. In einer Ausführung weist der Kühlkörper eine interne Struktur auf, die dazu gebildet ist, eine Wärmeeinkopplung für die Highside-Schalter und die Lowside-Schalter bereitzustellen. Vorteilhaft ist die interne Struktur eine PinFin- Struktur. Je näher die zu kühlenden Bauteile, in diesem Fall die Highside-Schalter und die Lowside-Schalter, am Kühlkörper angeordnet werden, desto besser ist der Kühleffekt. Je besser die Wärmeeinkopplung in den Kühlkörper erfolgt, was durch eine interne Struktur begünstigt wird, desto besser können die zu kühlenden Bauteile, in diesem Fall die Highside-Schalter und die Lowside-Schalter gekühlt werden. Somit kann die Lebensdauer der Bauteile erhöht werden. In einer Ausführung ist eine zusätzliche Kühlstruktur, auch als Cooling Collector bezeichnet, an Endbereichen der Stromphasen vorgesehen, mit welcher der Kühlkörper abdichtend, also über eine Abdichtung, überführt wird. Somit können die einzelnen Stränge der Strom phasen zusammengeführt werden. Vorteilhaft ist die zusätzliche Kühlstruktur derart gebildet ist, dass sie eine serielle oder parallele Kühlung der Stränge der Stromphasen ermöglicht. Je nach Ausführung können alle Phasen zusammen oder separat gekühlt werden.
In einer Ausführung sind unterschiedliche Typen an Leistungshalbleitern mit breitem Bandabstand je HS und je LS eines Halbleitermoduls vorgesehen. Somit können unterschiedliche Anforderungen an die Halbleiterschalter, z.B. ein schnelleres Schalten lediglich eines der Halbleiterschalter, besser realisiert werden.
In einer Ausführung weist der Inverteraufbau einen zur Brückenschaltung parallelgeschalteten Zwischenkreis mit mindestens einem Kondensator auf.
Ferner wird die Verwendung eines Elektronikmoduls mit dem Inverteraufbau zur An steuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs vorgeschlagen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kom bination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der bei gefügten Zeichnung näher erläutert.
Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Inverteraufbau mit drei Phasen AC1-AC3 und drei Halbleitermodulen gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Figur 2 zeigt eine vergrößerte Draufsicht auf eines der Halbleitermodule des in Fi gur 1 dargestellten Inverteraufbaus.
Figur 3 zeigt eine Schnittansicht des in Figur 2 dargestellten Halbleitermoduls.
In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktio nen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Wie bereits eingangs erwähnt, ist der Platzbedarf in der x-y-Ebene bei bisher ver wendeten, beidseitig elektrisch kontaktierbaren Halbleiterschaltern, also Highside- Schaltern HS und Lowside-Schaltern LS, für manche Anwendungen zu groß. Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß ein Inverteraufbau vorgeschlagen, bei dem ein seitig elektrisch kontaktierbare HS und LS, z.B. TO-247-4, verwendet werden kön nen. Da diese HS und LS in z-Ebene, d.h. senkrecht zur x-y-Ebene, also der Ebene, in welcher die HS und LS bisher ihre Ausdehnung hatten, liegt, wird in dieser Ebene Platz gespart, da die Querschnittsfläche geringer ist als in den bisherigen Anordnun gen.
Nachteilig an allen bekannten Anordnungen ist außerdem, dass alle Module in Reihe nacheinander gekühlt werden, womit das letzte Module eine deutlich höhere Kühl wassertemperatur an seinem Eingang hat und somit nicht so stark belastet werden kann, da die Tem peraturd ifferenz zwischen den Halbleiterschaltern und dem Kühl wasser geringer ist. Dies kann zu einer künstlichen Einschränkung der Gesamtleis tung des Inverters führen.
Durch den vorgeschlagenen, nachfolgend im Detail beschriebenen Inverteraufbau werden die folgenden Vorteile erreicht:
Niederinduktiv geführter Zwischenkreis bis zu den Halbleitern (aufgrund der parallelen DC+ und DC- Schienen),
Kurze kommutierende Zelle durch nebeneinanderliegende Highside (HS) und Lowside (LS) Schalter,
Kompaktes Design durch beidseitige Bestückung des Kühlsystems je Kühl strang, d.h. je Phase. Jeder High-Side-Schalter HS und/oder der Low-Side-Schalter LS umfasst einen oder mehrere Leistungshalbleiterbauteile, im Zusammenhang mit dieser Anmeldung auch kurz als Halbleiter bezeichnet, wie IGBT oder MOSFET. Je ein HS und ein LS bilden eine Halbbrücke der Brückenschaltung. Die Brückenschaltung ist auf einer Leiterplat te 12 aufbringbar, sodass die Leistungsschalter mittels auf der Bestückungsseite der Leiterplatte 12 vorhandener elektrischer Kontakte mit einem Steuergerät wie einem Electronic Control Unit (ECU) des Fahrzeugs elektrisch und/oder signaltechnisch verbindbar sind. Das Steuergerät ist daher in der Lage, die Leistungsschalter HS bzw. LS zwecks Betreiben des Elektroantriebs, insbesondere zwecks Bestromen der E-Maschine, eines mit einem entsprechenden Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs an zusteuern. Die Leiterplatte kann eine Platine (z. B. PCB) oder eine flexible Leiterplat te aufweisen.
In Figuren 1 bis 3 zeigen unterschiedliche Ansichten eines Inverteraufbaus. Figur 1 zeigt einen Inverteraufbau mit drei Phasen AC1-AC3, während Figuren 2 und 3 je weils eine Phase AC2 in Vergrößerung zeigen, um das Prinzip der Erfindung zu ver deutlichen.
Grundsätzlich können aber auch lediglich eine Phase AC1 ; AC2; AC3 mit einem Halbleitermodul oder zwei oder mehr Phasen (mit der entsprechenden Anzahl an Halbleitermodulen) vorgesehen sein, z.B. ein Vielfaches von zwei oder drei, z.B. sechs, neun, zwölf etc. Je mehr Phasen AC1 -AC3 und je mehr Leistung, also je mehr Leistungshalbleiter pro Phase AC1-AC3, vorgesehen sind, desto besser zeigen sich die Vorteile des erfindungsgemäßen Inverteraufbaus.
Der in Figur 1 schematisch dargestellte Inverteraufbau zeigt ein Halbleitermodul je elektrischer Phase AC1-AC3. Je Halbleitermodul ist ferner ein Kühlkörper 13 vorge sehen, auf dessen Oberseite 0 die zugehörige elektrische Phase AC1-AC3 ange ordnet ist. Auf seiner Unterseite U ist in der Regel ein (nicht gezeigter) Zwischenkreis mit mindestens einem Kondensator vorgesehen. Figuren 2 und 3 zeigen eine detail liertere Darstellung lediglich einer Phase AC2 zur Verdeutlichung des Aufbaus. Jedes Halbleitermodul weist mindestens eine Halbbrücke auf, die aus jeweils einem einseitig elektrisch kontaktierbaren HS und einem benachbart dazu angeordneten und geschalteten, sowie einseitig elektrisch kontaktierbaren LS gebildet ist. Die HS und LS sind an einer Seite S des Kühlkörpers 13 abwechselnd, wie in Figur 2 ge zeigt, angeordnet, wobei ihre elektrischen Kontakte in z-Richtung, also zur Oberseite 0 des Kühlkörpers 13, weisen. Somit kann der AC-Kontakt mit der Strom phase AC1- AC3 kontaktiert werden. Die HS und LS können auf jeder der beiden Seiten S des Kühlkörpers 13 angeordnet werden. Je nach Anzahl der Halbbrücken aus HS und LS, welche in x-Richtung angeordnet sind, kann somit lediglich eine Seite S bestückt sein, oder es sind beide Seiten S bestückt.
Die DC-Stromversorgung erfolgt über parallel und in einem Abstand zur Seite S des Kühlkörpers 13 angeordnete DC-/DC+-Schienen. Die HS und LS sind zwischen Kühlkörper 13 und DC-/DC+-Schienen angeordnet und an den entsprechenden elektrischen Kontakten (Drain und Source der Halbleiter) damit verbunden. Hierfür werden die zur Oberseite 0 weisenden Kontaktbeine vorteilhaft in einem Winkel von 90 Grad zur DC-/DC+-Schiene hin gebogen.
Wie aus Figur 3 ersichtlich wird, sind somit DC-Stromversorgung mit den DC-/DC+- Schienen, HS und LS sowie Kühlkörper 13 (mit der Fläche seiner Seite S) parallel zueinander angeordnet.
Ferner können Steuer- und Überwachungsanschlüsse, Kelvin-Source (wenn vorhan den) und das Gate der HS bzw. LS in einfacher Weise mit einer oberhalb der Strom - Phasen AC1-AC3 vorgesehenen Treiberplatine bzw. Leiterplatte 12 kontaktiert wer den, ohne gebogen zu werden, wie in Figur 3 angedeutet.
Je nach Leistungsbedarf können in dieser Anordnung mehr oder weniger Halbleiter- module ohne eine nachteilige Auswirkung auf die elektrische Anbindung der Halb- leitermodule parallelgeschaltet werden (also in y-Richtung verlängert werden).
Der Inverteraufbau ermöglicht durch den diskreten Ansatz und die optimierten Kom mutierungszellen den Einsatz von unterschiedlichen Halbleitertypen innerhalb eines Inverters. Die gewählten Halbleitertypen sind vorteilhaft solche, die eine aktive Schal tung erlauben und die eine breite Bandlücke bzw. einen breiten Bandabstand (Engl.: wide bandgap) aufweisen, wie z.B. Si-IGBT, SiC-Mosfet, SiC-Kaskode, GaN. Das heißt, es können nicht nur verschiedene Leistungshalbleiter im Inverteraufbau einge setzt werden, sondern auch unterschiedliche Typen an Halbleitern gleichzeitig inner halb des Inverteraufbaus, d.h. innerhalb jedes Halbleitermoduls.
Der Kühlkörper 13 dient zur Abfuhr der von den Leistungshalbleitern, also den HS bzw. LS, des Inverters erzeugten Wärme. Vorteilhaft ist ein Kühlkörper 13 pro Halb leitermodul vorgesehen, so dass jede Phase AC1-AC3 einen eigenen Kühlkörper 13 und damit einen eigenen Kühlstrang aufweist. Somit kann die Kühlung auf die ver wendeten Bauteile des jeweiligen Halbleitermoduls abgestimmt werden, d.h. es wird ein dedizierter Kühlbereich vorgesehen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die HS/LS möglichst nahe am Kühlkörper 13 angeordnet sind oder diesen sogar berühren. Sie können auch am Kühlkörper 13 befestigt sein. Durch die diskrete Bauweise kann ei ne modulare Bauweise realisiert werden, in welcher das Halbleitermodul zusammen mit dem zugehörigen Kühlkörper 13 als zusammengehöriges Modul bereitgestellt werden kann, von denen mehrere parallel, d.h. eines pro Strom phase AC1 -AC3, in einfacher Weise nebeneinander vorgesehen werden können, wie in Figur 1 gezeigt. Die Kühlstränge des Kühlkörpers 131 , von denen je elektrischer Phase AC1-AC3 einer vorhanden ist, können entweder separat ausgeführt oder im Bereich außerhalb der DC-Schienen zusammengeführt werden.
Vorteilhaft weist jeder Kühlkörper 13 eine interne Struktur auf, die dazu gebildet ist, eine Wärmeeinkopplung für die Highside-Schalter HS und die Lowside-Schalter LS bereitzustellen. Eine solche Struktur ist beispielsweise eine PinFin-Struktur.
Die Kühlstränge des Kühlkörpers 13, von denen je elektrischer Stromphase AC1- AC3 vorteilhaft einer vorhanden ist, werden im Bereich außerhalb der DC-/DC+- Schienen in eine zusätzliche Kühlstruktur 132 abdichtend zusammengeführt. Hierfür ist eine Abdichtung 131 am Ende der DC-/DC+-Schienen je Stromphase AC1-AC3 vorgesehen. Die zusätzliche Kühlstruktur 132 kann eine serielle oder eine (wie in Fi gur 1 gezeigte) parallele Kühlung der Strom phasen AC1-AC3 bereitstellen. Der Kühlmittelanschluss an die zusätzliche Kühlstruktur 132, auch Cooling Collector ge nannt, erfolgt am Gehäuse 11 und kann, wie in Figur 1 gezeigt, seitlich vorgesehen sein. Er kann aber auch von der Unterseite U her erfolgen.
Es kann auch vorgesehen sein, dass sich zwei Strom phasen AC1-AC3 einen Kühl körper teilen, so dass dann zwar lediglich jeweils eine Seite S davon zum Anbringen der HS und LS zur Verfügung steht, aber Platz in y-Richtung eingespart werden kann.
Der thermische Nachteil einer seriellen Kühlung wird durch ein Bereitstellen einer parallelen Kühlung der einzelnen Phasen AC1-AC3, also einer separaten Kühlung pro Phase AC1-AC3, reduziert. Außerdem kann durch Vorsehen eines Kühlkörpers 13 pro Phase AC1 -AC3 auf unterschiedliche Kühlbedarfe der auf dem Halbleitermo dul der jeweiligen Phase AC1-AC3 vorgesehenen Leistungshalbleiter, d.h. High- Side-Schalter HS und Low-Side-Schalter LS, eingegangen werden.
Obwohl eine konstante DC-Spannung wünschenswert ist, kann die DC-Spannung jedoch aufgrund parasitärer Einflüsse mit Spannungsrippein behaftet sein. Um die sen entgegenzuwirken umfasst das Elektronikmodul vorteilhaft einen Zwischenkreis (nicht gezeigt), der einen Zwischenkreiskondensator aufweist. Dieser ist unterhalb des Kühlkörpers 13 angeordnet. Der Zwischenkreiskondensator kann monolithisch ausgeführt werden. Alternativ kann er in verschiedenen Diskretisierungsschritten hin bis zu einzelnen Gehäusen je Wickel ausgeführt sein. Auch kann für jede Phase AC1-AC3 ein Kondensatorgehäuse vorgesehen sein, um eine einfachere Teilmonta ge des Inverters ebenso wie eine flexiblere Anordnung der Phasen AC1-AC3 zu er möglichen.
Die Verbindung zwischen der Brückenschaltung und der Leiterplatte und/oder die Verbindung zwischen der Leiterplatte und dem Kühler erfolgt vorzugsweise in Form einer Kleb-, Schraub-, Schweiß-, Steck- und/oder Klemmverbindung.
Ein Elektronikmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektro antriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hyb- ridfahrzeugs. Das Elektronikmodul umfasst einen DC/AC-Wechselrichter (Engl.: In verter) mit dem beschriebenen Inverteraufbau oder einen Teil hiervon. Das Elektro nikmodul kann außerdem einen AC/DC-Gleichrichter (Engl.: Rectifier), einen DC/DC- Wandler (Engl.: DC/DC Converter), Transformator (Engl.: Transformer) und/oder ei nen anderen elektrischen Wandler oder ein Teil eines solchen Wandlers umfassen oder ein Teil hiervon sein. Insbesondere dient das Elektronikmodul zum Bestromen einer E -Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators.
Ein DC/AC-Wechselrichter dient vorzugsweise dazu, aus einem mittels einer DC- Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu erzeugen.
Bezuqszeichenliste
11 Gehäuse
12 Treiberplatine
13 Kühlkörper
131 Abdichtung
132 zusätzliche Kühlstruktur
AC1-AC3 Stromphasen / ausgangsseitiger Stromanschluss DC+/DC- DC-Strom -Schienen
HS High-Side-Schalter
LS Low-Side-Schalter
U Unterseite von 13
0 Oberseite von 13
S Seite von 13

Claims

Patentansprüche
1. Inverteraufbau eines Elektronikmoduls für einen Elektroantrieb eines Fahrzeugs, umfassend:
- mindestens eine entlang einer ersten Achse (x) angeordnete Strom phase (AC1- AC3),
-je Strom phase (AC -AC3) einen entlang der ersten Achse (x) angeordneten ein gangsseitigen Stromanschluss zum Einkoppeln eines mittels einer Energiequelle er zeugten DC-Eingangsstroms (DC+/DC-);
- wobei die Strom phase (AC1-AC3) zum Auskoppeln eines basierend auf dem DC- Eingangsstrom erzeugten AC-Ausgangsstroms eingerichtet ist;
- mindestens einen auf einer Unterseite (U) der Strom phase (AC1 -AC3) angeordne ten Kühlkörper (131),
- eine halbleiterbasierte Brückenschaltung zur Erzeugung des AC-Ausgangsstroms, wobei die Brückenschaltung je Strom phase (AC1-AC3) aufweist:
- mindestens ein Halbleitermodul, das jeweils mindestens eine Halbbrücke auf weist, die gebildet ist aus jeweils einem einseitig elektrisch kontaktierbaren Highside-Schalter (HS) und einem benachbart zu dem Highside-Schalter (HS) angeordneten, einseitig elektrisch kontaktierbaren Lowside-Schalter (LS), wobei
- mindestens eine Halbbrücke (LS, HS) auf mindestens einer Seite (S) des Kühl körpers (131) und zwischen Kühlkörper (131) und eingangsseitigem Stroman schluss (DC+/DC-) derart angeordnet ist, dass ihre elektrischen Kontakte zu einer der Unterseite (U) der Stromphase (AC1-AC3) gegenüberliegenden Oberseite (0) weisen.
2. Inverteraufbau nach Anspruch 1, wobei zwei oder drei oder ein Vielfaches von zwei oder drei Strom phasen (AC1-AC3) mit je einem Halbleitermodul vorgesehen sind, die parallel zueinander angeordnet sind.
3. Inverteraufbau nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Highside-Schalter (HS) und die Lowside-Schalter (LS) näher am Kühlkörper (13) als am eingangsseitigen Stromanschluss (DC+/DC-) angeordnet sind.
4. Inverteraufbau nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Highside-Schalter (HS) und die Lowside-Schalter (LS) den Kühlkörper (13) berühren und/oder daran befestigt sind.
5. Inverteraufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlkörper (13) eine interne Struktur aufweist, die dazu gebildet ist, eine Wärmeeinkopplung für die Highside-Schalter (HS) und die Lowside-Schalter (LS) bereitzustellen.
6. Inverteraufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine zusätzliche Kühlstruktur (132) an Endbereichen der Stromphasen (AC1-AC3) vorgesehen ist, mit welcher der Kühlkörper (13) über eine Abdichtung (131) überführt wird.
7. Inverteraufbau nach Anspruch 6, wobei die zusätzliche Kühlstruktur (132) derart gebildet ist, dass sie eine serielle oder parallele Kühlung der Stränge der Stromphasen (AC1-AC3) ermöglicht.
8. Inverteraufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei unterschiedliche Typen an Leistungshalbleitern mit breitem Bandabstand je Halbleitermodul vorgesehen sind.
9. Inverteraufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen zur Brückenschaltung parallelgeschalteten Zwischenkreis mit mindestens einem Kondensator.
10. Verwendung eines Elektronikmoduls mit dem Inverteraufbau nach einem der vor hergehenden Ansprüche zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs.
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