WO2024023073A1 - Herstellungsoptimierte leistungselektronik für einen stromrichter mit oberseitig kontaktierbaren leistungsanschlüssen - Google Patents

Herstellungsoptimierte leistungselektronik für einen stromrichter mit oberseitig kontaktierbaren leistungsanschlüssen Download PDF

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power
holder frame
switching elements
power connections
semiconductor switching
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Pengshuai Wang
Michael Kohr
Manuel Raimann
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Definitions

  • the invention relates to power electronics for a power converter, in particular for an inverter for energizing an electric axle drive of an electric vehicle or a hybrid vehicle, a method for producing power electronics for a power converter, a corresponding power converter, in particular an inverter, a corresponding electric axle drive with such a power converter as well as a corresponding vehicle with such an electric axle drive.
  • Electric vehicles for example battery-operated vehicles and hybrid vehicles, are known in the prior art. These are driven exclusively or supported by one or more electrical machines as drive units. In order to supply the electrical machines of such electric vehicles with electrical energy, the electric vehicles include electrical energy storage devices, in particular rechargeable electric batteries. These batteries are designed as DC voltage sources. However, the electrical machines usually require an alternating voltage. Therefore, a so-called inverter equipped with power electronics is usually connected between a battery and an electrical machine (e-machine) of an electric vehicle.
  • e-machine electrical machine
  • Such inverters usually include power electronics with semiconductor switching elements, which are typically formed from transistors, such as MOSFETs or IG-BTs. It is known to design the semiconductor switching elements as so-called half-bridges, each of which has a high-side device and a low-side device.
  • This high-side or low-side device comprises one or more semiconductor switching elements connected in parallel, which can be controlled in a targeted manner in order, in the case of an inverter, to generate a plurality of phase currents of an output-side AC current from a DC current fed in on the input side of the half bridges.
  • the phase currents vary over time and generally have a sinusoidal variation. start running.
  • the power converter can comprise a rectifier (eg a DC/DC converter) in which the power electronics are used in combination with one or more storage chokes to convert an input voltage into a boosted output voltage, for example.
  • the semiconductor switching elements are typically connected to a substrate, which in turn is thermally coupled to a heat sink.
  • a heat sink In order to electrically connect the semiconductor switching elements on the input side to the voltage source and on the output side to the electric axle drive to be energized, power connections are provided in the power converter, with the help of which the switch current is passed or blocked.
  • the semiconductor switching elements can be accommodated or encapsulated in a current-insulating protective casing.
  • the power electronics designs known from the prior art have the disadvantage that the formation of the protective casing or encapsulation cannot be carried out optimally due to a lack of reliable sealing.
  • contact gaps may be present between the injection molding tool and the corresponding contact surfaces of the power electronics due to inhomogeneities in the surface properties of the surfaces of the power electronics that contact the injection molding tool, such as surfaces of the power connections.
  • the injection molding material can therefore reach areas of the power electronics through the contact gaps, which, however, must be exposed. For example, the injection molding material can get onto the surfaces of the power connections and adhere there, forming an undesirable insulation layer.
  • the invention relates to power electronics for a power converter for use with an electric axle drive in an electric vehicle and/or a hybrid vehicle.
  • the power electronics includes a plurality of semiconductor switching elements for converting an input voltage into an output voltage by means of targeted switching of the semiconductor switching elements.
  • the power converter is preferably a DC/AC inverter.
  • the input voltage is a DC voltage provided by a DC voltage source that generates a DC input current.
  • the output voltage is an AC voltage that produces multiple phase currents of an AC output current.
  • the power converter can be a DC/DC rectifier (converter).
  • the input voltage is a DC input voltage provided by a DC voltage supply (e.g. DC charging station), whereby the output voltage is a DC output voltage which is preferably applied to the latter to charge a vehicle battery .
  • the power electronics preferably includes several phases, each of which has a half bridge with a high side and a low side.
  • the half-bridge can comprise one or more half-bridge modules connected in parallel, with a module highside and a module lowside being connected in each half-bridge module.
  • the half-bridge module therefore forms a modular subunit of a phase or the phase itself in a multi-phase power converter that can be flexibly combined as required.
  • the module highside or module lowside comprises one or more semiconductor switching elements connected in parallel. In the case that a phase comprises a single half-bridge module, the module high side forms the high side of the phase, with the module low side forming the low side of the phase.
  • the module highsides of the half-bridge modules form the highside of the entire phase through parallel connection, whereby the module lowsides of the half-bridge modules form the lowside of the entire phase through parallel connection.
  • the power electronics in the context of the present invention refers to a single half-bridge module or a module highside or a module lowside, or alternatively to a phase with a single half-bridge module or several half-bridge modules connected in parallel.
  • the semiconductor switching elements are preferably transistors, such as MOSFETs and/or IGBTs.
  • the semiconductor material on which the semiconductor switching elements are based is preferably silicon or a so-called semiconductor with a large band gap, such as silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN).
  • the power electronics further has a circuit carrier which includes a top side for attaching the semiconductor switching elements.
  • the circuit carrier is, for example, a multilayer substrate with an upper metal layer, a lower metal layer and an insulating layer embedded between them.
  • the multilayer substrate is preferably a Direct Bonded Copper (DBC) substrate or an Active Metal Braze (AMB) substrate.
  • DBC Direct Bonded Copper
  • AMB Active Metal Braze
  • power connections are provided in order to electrically connect the semiconductor switching elements to external circuits, in particular to the input side and the output side of the power converter.
  • this is preferably done via several busbars between an intermediate circuit capacitor and the power electronics, or between the power electronics and the electrical machine to be powered.
  • the power connections which in the case of an inverter include both positive-pole DC power connections, negative-pole DC power connections and AC power connections, are fixedly attached to the top of the circuit board and each have a contact surface that is accessible from above. The power connections therefore extend essentially vertically upwards from the top of the circuit carrier.
  • top-side contacting of the power electronics is possible, which is advantageous in terms of manufacturing and assembly effort compared to lateral contacting, in which the power connections protrude to the side of the substrate, due to the reduced lateral dimensions of the entire power electronics.
  • a Another advantage of top-side contacting is that it allows for lower leakage inductance of the power electronics and, at the same time, shorter control paths.
  • the power electronics further comprises a holder frame for holding at least two power connections, but preferably all power connections, in connection with one another.
  • the holder frame is formed from an electrically insulating material.
  • the holder frame In an assembled state, in which the power connections are held in communication with one another and the power connections are attached to the top of the circuit carrier, the holder frame has a surface facing away from the top of the circuit carrier in order to apply a current-insulating protective cladding by means of an injection molding process from an injection molding tool (molding tool) to be acted upon immediately.
  • the current-insulating protective cladding is therefore designed as a casting compound made of an injection molding material (mold material).
  • the invention also relates to a method for producing power electronics for a power converter for use in an electric vehicle and/or a hybrid vehicle.
  • the method includes providing a circuit carrier that has a top side; Connecting a plurality of semiconductor switching elements to the top of the circuit carrier for converting an input voltage provided by an input-side voltage source into an output voltage by switching the semiconductor switching elements; Attaching a plurality of power connections to the top of the circuit carrier for feeding an input current corresponding to the input voltage into the semiconductor switching elements and / or for tapping an output current corresponding to the output voltage from the semiconductor switching elements, the power connections being fixedly attached to the top of the circuit carrier and each having a contact surface accessible from above exhibit; Holding at least one power connection in connection with one another by means of a holder frame, the holder frame having a surface facing away from the top of the circuit carrier; as well as applying an injection molding tool to the surface of the holder frame in order to apply a ner current-insulating protective casing using an injection molding process after the power connections (16) are attached to
  • the fact that the injection molding tool directly acts on the surface of the holder frame holding the power connections for the purpose of forming the current-insulating protective cladding or casting compound enables an adequate seal between the injection molding tool and the holder frame.
  • the manufacturing method according to the invention is advantageous with regard to the seal between the injection molding tool and the surfaces acting on it.
  • the surface quality of the contact surfaces usually varies between different power connections.
  • the power connections are T-shaped, with the holder frame having a plurality of openings through which the T-shaped power connections extend.
  • the power connections are preferably overmolded with a current-insulating injection molding material, from which the holder frame results.
  • the holder frame can be in the form of a prefabricated injection-molded component comprising the openings and connected to the openings by passing or inserting the power connections through the openings.
  • the holder frame can be fixed to the power connections by gluing.
  • the T-shape refers to a side view of the power electronics constructed in layers and enables the power connections to be easily attached to the holder frame by passing the shafts of the power connections through the openings formed in the holder frame. In addition, this provides a sufficiently large contact area on the respective power connections, which makes it easier to make contact with the power electronics on the top side.
  • the power connections can be cylindrical or cuboid.
  • the power connections are arranged in several rows, the power connections in each row being held in communication with one another by means of an associated longitudinal section of the holder frame.
  • the surface of the holder frame to be acted upon by the injection molding tool comprises a plurality of surface units, each of which is arranged between two adjacent power connections. In addition to simply attaching and sealing the injection molding tool against the holder frame, this measure also enables the power connections to be held more securely and thus increased mechanical stability of the power electronics.
  • the holder frame comprises a bridge section which is arranged between two longitudinal sections of the holder frame connecting them to one another. This enables an additional surface area to be applied to the injection molding tool and additionally increases the mechanical stability of the holder without requiring additional installation space. In particular, the positional stability of the power connections is achieved with the help of the holder frame, so that when electrically contacting the power connections, e.g. B. during a soldering process, the alignment tolerances are reduced and contacting is made easier.
  • the holder frame has a fastening web for fastening a busbar and/or a circuit board. The fastening web is preferably arranged centrally in relation to a viewing direction from above onto the power electronics. In this way, attaching and positioning the busbar or circuit board is made easier.
  • the fastening web can be achieved, for example, by means of hot caulking, with the formation of several such hot caulking pins on the holder frame being conceivable.
  • the holder frame is designed as an injection molding frame.
  • the holder frame can be formed, for example, by overmolding the power connections.
  • the holder is created parallel to the molding of the holder frame or parallel to the overmolding of the power connections.
  • the holder frame can be connected to the power connections as a prefabricated component, in particular an injection-molded component, thereby creating the holder.
  • the held power connections are then joined to the top of the circuit carrier, whereby the connection between the power connections and the circuit carrier can be provided by means of an adhesive, soldering, sintering and/or welding process or another suitable method.
  • the invention further relates to a power converter with such power electronics for use with an electric axle drive, a corresponding electric axle drive having such a power converter, and a vehicle with such an electric axle drive.
  • the power converter can have an inverter or a rectifier.
  • Fig. 2 is a schematic representation of the power electronics from Fig. 1 in a top view
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the power electronics from FIG. 1 in an exploded view
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the power electronics from FIG. 1 in a side view, the power electronics being accommodated in an injection molding tool for forming a current-insulating protective casing;
  • FIG. 5 shows a schematic representation of power electronics according to a further embodiment in a perspective view
  • FIG. 6 is a schematic representation of the power electronics from FIG. 5 in a top view
  • FIG. 7 shows a schematic representation of power electronics according to a further embodiment in a top view
  • Fig. 8 is a schematic representation of the power electronics from Fig. 7 in a side view.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of power electronics 10A according to an embodiment in a perspective view.
  • the power electronics 10A is designed for use in a power converter, here an inverter for example.
  • the power electronics 10A refers to a half-bridge module with a module highside and a module lowside.
  • this is purely exemplary and in no way restrictive of the present invention.
  • the power electronics 10A includes a plurality of semiconductor switching elements 12 which are arranged on a substrate 14.
  • the substrate 14 is constructed here as an example in multiple layers and has an upper metal layer 144, a lower metal layer 148 and an insulation layer 146 arranged between them.
  • the upper metal layer 144 is divided into three sections 144a, 144b, 144c, which are electrically isolated from each other.
  • a first group of semiconductor switching elements 12, which form a module highside of the power electronics 10A designed as a half-bridge module, are arranged on a first section 144a of the upper metal layer 144.
  • a leadframe 22 is provided for electrically connecting the semiconductor switching elements 12 within the power electronics 10A.
  • the lead frame 22 includes a first section 22a that electrically connects the first group of semiconductor switching elements 12 to a central section 144b of the upper metal layer 144.
  • the lead frame 22 also includes a second section 22b, which electrically connects the middle section 144a of the upper metal layer 144 to the second group of semiconductor switching elements 12. This configuration enables current conduction to be provided for pulse width modulation by switching the semiconductor switching elements between the on state and the off state.
  • a plurality of power connections 16a, 16b, 16c are provided for electrically connecting the semiconductor switching elements 12 to external circuits (ie circuits outside the power electronics 10A).
  • external circuits ie circuits outside the power electronics 10A.
  • two first power power connections 16c and two second power connections 16b for feeding a DC input current into the semiconductor switching elements 12, which is provided by a DC input voltage, are fixedly attached to an upper side 142 of the multilayer substrate 14.
  • the first power connections 16c are assigned to a DC positive pole of the DC input voltage and are arranged on the first section 144a of the upper metal layer 144.
  • the second power connections 16b are assigned to a DC negative pole of the DC input voltage and are arranged on the second section 144c of the upper metal layer 144.
  • two third power connections 16a for tapping an AC output current or a phase current are fixedly attached to the top 142 of the middle section 144b of the upper metal layer 144.
  • the phase current is created by converting the DC input current by switching the semiconductor switching elements 12 according to pulse width modulation.
  • the power connections 16a-c are in electrical connection with their associated section 144a-c of the upper metal layer 144 of the substrate 14, which can be done, for example, by means of a metallic soldering, sintering or adhesive layer.
  • the number of power connections 16a-c is chosen here purely as an example and in no way restricts the present invention.
  • the power connections 16a-c are T-shaped and each include a shaft section 164 and a head section with a contact surface 162 for contacting the power electronics 10A on the top side.
  • a holder frame 18 is arranged to hold the power connections 16a-c in connection with one another.
  • the holder frame 18 is designed purely as an example as a prefabricated injection molded component or as a prefabricated injection molded frame.
  • a plurality of through openings are formed in the holder frame 18, through which the individual power connections 16a-c extend.
  • the holder frame 18 is here, purely by way of example, H-shaped and comprises two longitudinal sections 186 which run essentially parallel to one another and a bridge section 184 which connects the longitudinal sections 186 to one another.
  • the power connections 16a-c are in two rows aligned in the longitudinal direction in accordance with the geometry of the holder frame 18 each with three power connections 16a-c.
  • the holder frame 18 has a surface 182 that faces away from the top 142 of the substrate 14. As shown schematically in an exploded view in FIG. 3, the power connections 16a-c are joined from above onto the top side 142 of the substrate 14 in a state in which they are held in the holder frame 18 and connected to it in an electrically conductive manner.
  • the injection molding tool 20 comprises a cover body 202 and a base body 204.
  • the power electronics 10A is introduced into a recess in the base body 204 in the state shown here, in which the power connections 16a-c held by means of the holder frame 18 rest on the top side 142 of the substrate 14 .
  • the cover body 202 is then placed from above onto the power electronics 10A or onto the base body 204 from above, in such a way that several inner support elements 203 and side support elements 205 directly act on the surface 182 of the holder frame 18.
  • the support elements 203, 205 form a plurality of gaps 207 arranged correspondingly to the contact surfaces 162 of the power connections 16a-c, so that the cover body 202 does not act on the power connections 16a-c when it is assembled with the base body 204.
  • the injection molding tool 20 and the power electronics 10A in the configuration shown define an injection molding space 209, which is filled with an electrically insulating injection molding material 24 during the injection molding process, which is injected into the injection molding space 209.
  • the power electronics 10A accommodated in the injection molding tool 20 are encapsulated with the injection molding material 24.
  • the areas of the surface 182 of the holder frame 18 acted upon by the cover body 202 form sealing surfaces for sealing the gaps 207 against the injected injection molding material 24.
  • a power electronics 10B according to a further embodiment is shown schematically in a perspective view or a top view.
  • the power electronics 10B shown there is designed analogously to the power electronics 10A from Figs. 1-4 and differs from the latter only in the specific design the power connections 17a-c.
  • the power connections 17a-c of the power electronics 10B are cylindrical and each include a cylindrical shaft 174 and a contact surface 172 at an upper end of the cylindrical shaft 174.
  • the power connections 17a-c are, as shown in FIG. 5, in several (here six) groups divided, each group here comprising three power connections 17a-c purely as an example.
  • Two groups of first power terminals 17c are assigned to the DC positive pole of the DC input voltage and are arranged on the first section 144a of the upper metal layer 144.
  • Two groups of second power terminals 17b are assigned to the DC negative pole of the DC input voltage and are arranged on the second section 144c of the upper metal layer 144.
  • Two groups of third power connections 17a are fixedly attached to the top 142 of the middle section 144b of the upper metal layer 144 for tapping the phase current.
  • the group arrangement of the power connections 17a-c shown here is at least advantageous in that comparatively more contacts are available for feeding in the input current and for tapping the output current, so that if a contact fails, for example if a solder connection breaks through on a contact surface 172, additional contacts are required Contacts ensure that the current is routed to the outside.
  • power electronics 10C according to a further embodiment is shown schematically in a top view or a side view.
  • the power electronics 10C shown there is also designed analogously to the power electronics 10A from FIGS. 1-4 and differs from the latter only in the specific design of the holder frame 18 and in that, in addition to the power connections 16a-c, there are also signal pins 26 and a temperature sensor 28 by means of the Holder frame 18 are held.
  • Those described with reference to the power electronics 10A from FIGS. 1-4 Manufacturing steps and the associated advantages therefore also apply to the power electronics 10B from FIGS. 7-8.
  • FIG. 7-8 As can be seen schematically in FIG.
  • the holder frame 18 has an end section 187 at each of the two longitudinal ends, which connects the two longitudinal sections 186 to one another.
  • a plurality of signal pins 26 are arranged, which protrude upwards from the top 142 of the substrate 14 via correspondingly positioned through openings in the end sections 187.
  • two sensor pins 282 of the temperature sensor 28 arranged between the holder frame 18 and the lead frame 22a, b extend upward through one of the longitudinal sections 186.
  • a current sensor (not shown here) can be fixed to the holder frame 18 so that it can be contacted from above, analogous to the temperature sensor 28 shown here.
  • a fastening web 190 is arranged on the bridge section 184, which is designed to fasten a busbar and/or a circuit board (not shown here).
  • the fastening web 190 is cylindrical here, purely as an example, and can be accomplished by hot caulking. However, this is in no way limiting for the present invention.
  • the fastening web 190 can be fixed to the holder frame 18 by means of an adhesive or screw connection.
  • the power connections 16a-c are each connected to the top side 142 of the substrate 14 by means of an electrically conductive first connection layer 30.
  • the lead frame 22a, b is also connected to the top 142 of the substrate 14 by means of an electrically conductive second connection layer 32, the lead frame 22a, b being simultaneously connected to the semiconductor switching elements 12 by means of an electrically conductive third connection layer 34.
  • the first, second and/or third connection layer 30, 32, 34 can have a soldering, sintering or adhesive layer.
  • Injection molding tool 2 cover body 3, 205 inner, side support elements 4 base body 7 gaps 9 injection molding space
  • Lead frame a, b first, second section

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  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungselektronik (10A-C) für einen Stromrichter zur Verwendung in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug, aufweisend: - mehrere Halbleiterschaltelemente (12) zum Umwandeln einer durch eine eingangsseitige Spannungsquelle bereitgestellten Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente (12), - einen Schaltungsträger (14), an dessen Oberseite (142) die Halbleiterschaltelemente (12) unterseitig angebunden sind, - mehrere Leistungsanschlüsse (16a-c) zum Einspeisen eines der Eingangsspannung entsprechenden Eingangsstroms in die Halbleiterschaltelemente (12) und/oder zum Abgreifen eines der Ausgangsspannung entsprechenden Ausgangsstroms aus den Halbleiterschaltelementen (12), wobei die Leistungsanschlüsse (16a-c) auf der Oberseite (142) des Schaltungsträgers (14) fixiert angebracht sind und jeweils eine von oben zugängliche Kontaktfläche (162) aufweisen, wobei zumindest ein Leistungsanschluss (16a-c) mittels eines Halterrahmens (18) in Verbindung miteinander gehaltert sind, wobei der Halterrahmen (18) aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist und eine von der Oberseite (142) des Schaltungsträgers (14) abgewandte Oberfläche (182) aufweist, die zwecks Aufbringens einer stromisolierenden Schutzverkleidung mittels eines Spritzgussverfahrens von einem Spritzgusswerkzeug (20) beaufschlagbar ist.

Description

Herstellungsoptimierte Leistungselektronik für einen Stromrichter mit oberseitiq kontaktierbaren Leistungsanschlüssen
Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronik für einen Stromrichter, insbesondere für einen Wechselrichter zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, ein Verfahren zur Herstellung einer Leistungselektronik für einen Stromrichter, einen entsprechenden Stromrichter, insbesondere einen Wechselrichter, einen entsprechenden elektrischen Achsantrieb mit einem solchen Stromrichter sowie ein entsprechendes Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb.
Im Stand der Technik sind Elektrofahrzeuge, bspw. batteriebetriebene Fahrzeuge (Battery Electric Vehicles) und Hybridfahrzeuge, bekannt. Diese werden ausschließlich bzw. unterstützend von einer oder mehreren elektrischen Maschinen als Antriebsaggregate angetrieben. Um die elektrischen Maschinen solcher Elektrofahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen, umfassen die Elektrofahrzeuge elektrische Energiespeicher, insbesondere wiederaufladbare elektrische Batterien. Diese Batterien sind dabei als Gleichspannungsquellen ausgebildet. Die elektrischen Maschinen benötigen in der Regel jedoch eine Wechselspannung. Daher wird zwischen einer Batterie und einer elektrischen Maschine (E-Maschine) eines Elektrofahrzeugs üblicherweise ein mit einer Leistungselektronik ausgestatteter, sog. Wechselrichter geschaltet.
Derartige Wechselrichter umfassen üblicherweise eine Leistungselektronik mit Halbleiterschaltelementen, die typischerweise aus Transistoren, etwa MOSFETs oder IG- BTs, gebildet sind. Dabei ist es bekannt, die Halbleiterschaltelemente als sogenannte Halbbrücken auszugestalten, die jeweils über eine Highside-Einrichtung und eine Lowside-Einrichtung verfügen. Diese Highside- bzw. Lowside-Einrichtung umfasst ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente, die gezielt gesteuert werden können, um im Fall eines Wechselrichters aus einem eingangsseitig der Halbbrücken eingespeisten DC-Strom mehrere voneinander phasenversetzte Phasenströme eines ausgangsseitigen AC-Stroms zu erzeugen. Hierbei sind die Phasenströme jeweils für sich zeitlich veränderlich und nehmen in der Regel einen sinusförmigen Ver- lauf an. Alternativ kann der Stromrichter einen Gleichrichter (z.B. einen DC/DC-Wand- ler) umfassen, in dem die Leistungselektronik in Kombination mit einer oder mehreren Speicherdrosseln dazu verwendet wird, eine Eingangsspannung in eine beispielsweise hochgesetzte Ausgangsspannung umzuwandeln.
Die Halbleiterschaltelemente sind typischerweise an ein Substrat angebunden, welches wiederum mit einem Kühlkörper in thermischer Kopplung steht. Um die Halbleiterschaltelemente eingangsseitig mit der Spannungsquelle und ausgangsseitig mit dem zu bestromenden elektrischen Achsantrieb elektrisch zu verbinden, werden Leistungsanschlüsse im Stromrichter bereitgestellt, mit deren Hilfe der Schalterstrom durchgelassen bzw. gesperrt wird. Ferner können die Halbleiterschaltelemente in einer stromisolierenden Schutzverkleidung aufgenommen bzw. eingekapselt sein.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Leistungselektronikbauformen besteht der Nachteil, dass die Ausformung der Schutzverkleidung bzw. Einkapslung mangels zuverlässiger Abdichtung nicht optimal durchführbar ist. Beispielsweise kann beim Aufbringen einer Vergussmasse mittels eines Spritzgussverfahrens und unter Verwendung eines Spritzgusswerkzeugs aufgrund von Inhomogenitäten der Oberflächenbeschaffenheiten der das Spritzgusswerkzeug kontaktierenden Oberflächen der Leistungselektronik, etwa Oberflächen der Leistungsanschlüsse, Kontaktlücken zwischen dem Spritzgusswerkzeug und den entsprechenden Kontaktflächen der Leistungselektronik vorhanden sein. Das Spritzgussmaterial kann daher durch die Kontaktlücken in Bereiche der Leistungselektronik gelangen, die jedoch freizulegen sind. Beispielsweise kann das Spritzgussmaterial auf die Oberflächen der Leistungsanschlüsse gelangen und dort haften, wodurch sich eine unerwünschte Isolierungsschicht bildet.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Leistungselektronik für einen Stromrichter, insbesondere einen Wechselrichter, bereitzustellen, um die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise zu beheben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Leistungselektronik, das Verfahren zur Herstellung einer Leistungselektronik, den Stromrichter, den elektrischen Achsan- trieb sowie das Fahrzeug gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronik für einen Stromrichter zur Verwendung mit einem elektrischen Achsantrieb in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug. Die Leistungselektronik umfasst mehrere Halbleiterschaltelemente zum Umwandeln einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung mittels gezielten Schaltens der Halbleiterschaltelemente. Der Stromrichter ist vorzugsweise ein DC/AC- Wechselrichter (Inverter). In diesem Fall handelt es sich bei der Eingangsspannung um eine von einer DC-Spannungsquelle bereitgestellte DC-Spannung, die einen DC- Eingangsstrom erzeugt. Bei der Ausgangsspannung handelt es sich um eine AC- Spannung, die mehrere Phasenströme eines AC-Ausgangsstroms erzeugt. Alternativ kann der Stromrichter ein DC/DC-Gleichrichter (Konverter) sein. In diesem Fall handelt es sich bei der Eingangsspannung um eine von einer DC-Spannungsversorgung (etwa DC-Ladestation) bereitgestellte DC-Eingangssspannung, wobei es sich bei der Ausgangsspannung um eine DC-Ausgangsspannung handelt, die vorzugsweise zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie an Letzterer angelegt wird.
Die Leistungselektronik umfasst vorzugsweise mehrere Phasen, die jeweils eine Halbbrücke mit einer Highside und einer Lowside aufweisen. Die Halbbrücke kann ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbbrückenmodule umfassen, wobei in jedem Halbbrückenmodul eine Modulhighside und eine Modullowside verschaltet sind. Das Halbbrückenmodul bildet daher eine modular ausgebildete und nach Bedarf flexibel kombinierbare Untereinheit einer Phase oder die Phase selbst in einem mehrphasigen Stromrichter. Die Modulhighside bzw. Modullowside umfasst ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterchaltelemente. Im Fall, dass eine Phase ein einziges Halbbrückenmodul umfasst, bildet die Modulhighside die Highside der Phase, wobei die Modullowside die Lowside der Phase bildet. Im Fall, dass eine Phase mehrere parallelgeschaltete Halbbrückenmodule umfasst, bilden die Modulhighsides der Halbbrückenmodule durch Parallelschaltung die Highside der gesamten Phase, wobei die Mo- dullowsides der Halbbrückenmodule durch Parallelschaltung die Lowside der gesam- ten Phase bilden. Alternativ bezieht sich die Leistungselektronik im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf ein einziges Halbbrückenmodul oder eine Modulhighside oder eine Modullowside, oder alternativ auf eine Phase mit einem einzigen Halbbrückenmodul oder mehreren parallelgeschalteten Halbbrückenmodulen.
Die Halbleiterschaltelemente sind vorzugsweise T ransistoren, wie MOSFET s und/oder IGBTs. Das den Halbleiterschaltelementen zugrundeliegende Halbleitermaterial ist vorzugsweise Silizium oder ein sogenannter Halbleiter mit einer großen Bandlücke, etwa Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN).
Die Leistungselektronik weist ferner einen Schaltungsträger auf, der eine Oberseite zum Anbringen der Halbleiterschaltelemente umfasst. Der Schaltungsträger ist beispielsweise ein mehrschichtiges Substrat mit einer oberen Metallschicht, einer unteren Metallschicht und einer dazwischen eingebetteten Isolierschicht. Das mehrschichtige Substrat ist vorzugsweise ein Direct Bonded Copper (DBC)-Subsrat oder ein Active Metal Braze (AMB)-Substrat.
Mehrere Leistungsanschlüsse sind vorgesehen, um die Halbleiterschaltelemente mit externen Stromkreisen, insbesondere mit der Eingangsseite und der Ausgangsseite des Stromrichters, elektrisch zu verbinden. Dies erfolgt im Fall eines Wechselrichters vorzugsweise über mehrere Stromschienen (Busbars) zwischen einem Zwischenkreiskondensator und der Leistungselektronik, bzw. zwischen der Leistungselektronik und der zu bestromenden elektrischen Maschine. Die Leistungsanschlüsse, die im Fall eines Wechselrichters sowohl pluspolige DC-Leistungsanschlüsse, minuspolige DC- Leistungsanschlüsse sowie AC-Leistungsanschlüsse umfassen, sind auf der Oberseite des Schaltungsträgers fixiert angebracht und weisen jeweils eine von oben zugängliche Kontaktfläche auf. Die Leistungsanschlüsse erstrecken sich daher von der Oberseite des Schaltungsträgers im Wesentlichen senkrecht nach oben. Auf diese Weise ist eine oberseitige Kontaktierung der Leistungselektronik ermöglicht, was gegenüber einer seitlichen Kontaktierung, bei der die Leistungsanschlüsse seitlich des Substrats hinausragen, aufgrund verringerter seitlicher Abmessung der gesamten Leistungselektronik hinsichtlich Herstellungs- und Montageaufwand vorteilhaft ist. Ein weiterer Vorteil der oberseitigen Kontaktierung besteht darin, dass hierdurch eine niedrigere Streuinduktivität der Leistungselektronik und gleichzeitig kürzerere Reglungswege erzielbar sind.
Die Leistungselektronik umfasst ferner einen Halterrahmen zur Halterung zumindest zweier Leistungsanschlüsse, vorzugsweise jedoch sämtlicher Leistungsanschlüsse, in Verbindung miteinander. Der Halterrahmen ist aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet. Der Halterrahmen weist in einem montierten Zustand, in dem die Leistungsanschlüsse miteinander in Verbindung stehend gehaltert und die Leistungsanschlüsse auf die Oberseite des Schaltungsträgers angebracht sind, eine von der Oberseite des Schaltungsträgers abgewandte Oberfläche auf, um zwecks Aufbringens einer stromisolierenden Schutzverkleidung mittels eines Spritzgussverfahrens von einem Spritzgusswerkzeug (Moldingwerkzeug) unmittelbar beaufschlagt zu werden. Die stromisolierende Schutzverkleidung ist daher als Vergussmasse aus einem Spritzgussmaterial (Moldmaterial) ausgebildet.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen einer Leistungselektronik für einen Stromrichter zum Verwenden in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug. Das Verfahren umfasst Bereitstellen eines Schaltungsträgers, der eine Oberseite aufweist; Anbinden mehrerer Halbleiterschaltelemente an die Oberseite des Schaltungsträgers zum Umwandeln einer durch eine eingangsseitige Spannungsquelle bereitgestellten Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente; Anbringen mehrerer Leistungsanschlüsse auf die Oberseite des Schaltungsträgers zum Einspeisen eines der Eingangsspannung entsprechenden Eingangsstroms in die Halbleiterschaltelemente und/oder zum Abgreifen eines der Ausgangsspannung entsprechenden Ausgangsstroms aus den Halbleiterschaltelementen, wobei die Leistungsanschlüsse auf der Oberseite des Schaltungsträgers fixiert angebracht sind und jeweils eine von oben zugängliche Kontaktfläche aufweisen; Haltern zumindest eines Leistungsanschlusses in Verbindung miteinander mittels eines Halterrahmens, wobei der Halterrahmen eine von der Oberseite des Schaltungsträgers abgewandte Oberfläche aufweist; sowie Beaufschlagen der Oberfläche des Halterrahmens durch ein Spritzgusswerkzeug zwecks Aufbringens ei- ner stromisolierenden Schutzverkleidung mittels eines Spritzgussverfahrens, nachdem die Leistungsanschlüsse (16) auf die Oberseite des Schaltungsträgers angebracht sind.
Dadurch, dass das Spritzgusswerkzeug zwecks Ausformung der stromisolierenden Schutzverkleidung bzw. Vergussmasse die Oberfläche des die Leistungsanschlüsse halternden Halterrahmens unmittelbar beaufschlagt, ist eine hinreichende Abdichtung zwischen dem Spritzgusswerkzeug und dem Halterrahmen ermöglicht. Die Flächenabschnitte der Oberfläche des Halterrahmens, die vom Spritzgusswerkzeug unmittelbar beaufschlagt werden, bilden jeweils eine Abdichtfläche, die verhindert, dass Partikel des Spritzgussmaterials von einem mit dem Spritzgussmaterial zu befüllenden Spritzgussraum in vom Spritzgussmaterial freizulegende Bereiche eindringen. Hierdurch kann insbesondere verhindert werden, dass das Spritzgussmaterial auf die Kontaktflächen der Leistungsanschlüsse gelangt, was zur Bildung einer unerwünschten Isolationsschicht führen und die Stromführung der Leistungselektronik beeinträchtigen würde. Dadurch, dass die Partikel des Spritzgussmaterials in der Regel eine vergleichsweise kleine Partikelgröße haben, werden hohe Anforderungen an die Abdichtung gestellt. Gegenüber einem Verfahren, bei dem das Spritzgusswerkzeug auf den Kontaktflächen der Leistunganschlüsse aufliegend angeordnet wird, ist das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren hinsichtlich der Abdichtung zwischen dem Spritzgusswerkzeug und den dieses beaufschlagenden Flächen vorteilhaft. Die Oberflächenbeschaffenheit der Kontaktflächen variiert in der Regel zwischen verschiedenen Leistungsanschlüssen. Außerdem liegt je nach Befestigungsmethode zum Anbringen der Leistungsanschlüsse auf die Oberseite des Substrats eine zusätzliche Höhenvariation zwischen verschiedenen Leistungsanschlüssen vor. Zumindest diese beiden Faktoren führen dazu, dass die Abdichtung zwischen dem Spritzgusswerkzeug und den Kontaktflächen der Leistungsanschlüsse suboptimal ist. Dieses Problem lässt sich erfindungsgemäß auf einfache Weise lösen.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Leistungsanschlüsse T-förmig ausgebildet, wobei der Halterrahmen mehrere Öffnungen aufweist, durch die sich die T-förmigen Leistungsanschlüsse hindurcherstrecken. Die Leistungsanschlüsse sind vorzugsweise mit einem stromisolierenden Spritzgussmaterial umspritzt, woraus der Halterrahmen resultiert. Alternativ kann der Halterrahmen als vorgefertigtes Spritzgussbauteil umfassend die Öffnungen vorliegen und durch Hindurchführen bzw. Einstecken der Leistungsanschlüsse durch die Öffennungen mit diesen in Verbindung gebracht. Weiter alternativ kann der Halterrahmen mittels Klebens am Leistungsanschlüssen fixiert werden. Die T-Form bezieht sich auf eine seitliche Blickrichtung auf die schichtweise aufgebaute Leistungselektronik und ermöglicht eine einfache Anbringung der Leistungsanschlüsse am Halterrahmen, indem die Schäfte der Leistungsanschlüsse durch die im Halterrahmen ausgebildeten Öffnungen jeweils hindurchgeführt werden. Außerdem ist hierdurch eine hinreichend große Kontaktfläche auf den jeweiligen Leistungsanschlüssen bereitgestellt, was das oberseitige Kontaktieren der Leistungselektronik erleichtert. Alternativ können die Leistungsanschlüsse zylindrisch oder quaderförmig ausgeformt sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Leistungsanschlüsse in mehreren Reihen angeordnet, wobei die in jeder Reihe stehenden Leistungsanschlüsse mittels eines dazugehörigen Längsabschnittes des Halterrahmens miteinander in Verbindung stehend gehaltert sind. Vorzugsweise umfasst die mit dem Spritzgusswerkzeug zu beaufschlagende Oberfläche des Halterrahmens mehrere Flächeneinheiten, die jeweils zwischen zwei benachbarten Leistungsanschlüssen angeordnet sind. Diese Maßnahme ermöglcht neben einfachem Anbringen und Abdichten des Spritzgusswerkzeugs gegen den Halterrahmen zusätzlich eine sicherere Halterung der Leistungsanschlüsse und somit eine erhöhte mechanische Stabilität der Leistungselektronik.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Halterrahmen einen Brückenabschnitt, der zwischen zwei Längsabschnitten des Halterrahmens diese miteinander verbindend angeordnet ist. Dies ermöglicht eine zusätzliche Flächeneinheit zum Beaufschlagen mit dem Spritzgusswerkzeug und erhöht zusätzlich die mechanische Stabilität der Halterung, ohne dass dafür zusätzlicher Bauraum beansprucht wird. Insbesondere ist die Lagefestigkeit der Leistungsanschlüsse mit Hilfe des Halterrahmens erzielt, sodass beim elektrischen Ankontaktieren der Leistungsanschlüsse, z. B. während eines Lötvorgangs, die Ausrichtungstoleranzen reduziert sind und sich das Ankontaktieren einfacher gestaltet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Halterrahmen einen Befestigungssteg zum Befestigen einer Stromschiene und/oder einer Leiterplatte auf. Der Befestigungssteg ist vorzugsweise bezogen auf eine Blickrichtung von oben auf die Leistungselektronik mittig angeordnet. Auf diese Weise ist das Anbringen und Positionieren der Stromschiene bzw. der Leiterplatte erleichtert. Der Befestigungssteg kann beispielsweise mittels Heißverstemmens bewerkstelligt werden, wobei das Ausbilden mehrerer solcher Heißverstemmpins am Halterrahmen denkbar ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Halterrahmen als Spritzgussrahmen ausgebildet. Der Halterrahmen kann beispielsweise durch Umspritzen der Leistungsanschlüsse gebildet werden. In diesem Fall entsteht die Halterung parallel zum Ausformen des Halterrahmens bzw. parallel zum Umspritzen der Leistungsanschlüsse. Alternativ kann der Halterrahmen als vorgefertigtes Bauteil, insbesondere Spritzgussbauteil, mit den Leistungsanschlüssen in Verbindung gebracht werden, wodurch die Halterung entsteht. Zum Aufbauen der Leistungselektronik werden dann die gehalterten Leistungsanschlüsse mit der Oberseite des Schaltungsträgers gefügt, wobei die Verbindung zwischen den Leistungsanschlüssen und dem Schaltungsträger mittels eines Kleb-, Löt-, Sinter- und/oder Schweißverfahrens oder eines anderen geeigneten Verfahrens bereitgestellt werden kann.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Stromrichter mit einer solchen Leistungselektronik zum Verwenden mit einem elektrischen Achsantrieb, einen entsprechenden elektrischen Achsantrieb aufweisend einen solchen Stromrichter, sowie ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb. Der Stromrichter kann einen Wechselrichter oder einen Gleichrichter aufweisen. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Leistungselektronik beschriebenen Vorteile auch für den erfindungsgemäßen Stromrichter, den erfindungsgemäßen elektrischen Achsantrieb und das erfindungsgemäße Fahrzeug.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Leistungselektronik gemäß einer Ausführungsform in einer Perspektivansicht;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Leistungselektronik aus Fig. 1 in einer Draufsicht;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Leistungselektronik aus Fig. 1 in einer Esplosionsansicht;
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Leistungselektronik aus Fig. 1 in einer Seitenansicht, wobei die Leistungselektronik in einem Spritzgusswerkzeug zum Ausformen einer stromisolierenden Schutzverkleidung aufgenommen ist;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Leistungselektronik gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Perspektivansicht;
Fig. 6 eine schematische Darstellung der Leistungselektronik aus Fig. 5 in einer Draufsicht;
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Leistungselektronik gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Draufsicht;
Fig. 8 eine schematische Darstellung der Leistungselektronik aus Fig. 7 in einer Seitenansicht.
Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Leistungselektronik 10A gemäß einer Ausführungsform in einer Perspektivansicht. Die Leistungselektronik 10A ist zum Verwenden in einem Stromrichter, hier beispielhaft einem Wechselrichter, ausgebildet. In diesem Beispiel bezieht sich die Leistungselektronik 10A auf ein Halbbrückenmodul mit einer Modulhighside und einer Modullowside. Dies ist jedoch rein beispielhaft und für die vorliegende Erfindung keineswegs einschränkend.
Die Leistungselektronik 10A umfasst mehrere Halbleiterschaltelemente 12, die auf einem Substrat 14 angeordnet sind. Das Substrat 14 ist hier beispielhaft mehrschichtig aufgebaut und weist eine obere Metallschicht 144, eine untere Metallschicht 148 und eine dazwischen angeordnete Isolationsschicht 146 auf. Die obere Metallschicht 144 ist in drei Abschnitte 144a, 144b, 144c unterteilt, die voneinander elektrisch getrennt sind. Eine erste Gruppe der Halbleiterschaltelemente 12, die eine Modulhighside der als Halbbrückenmodul ausgelegten Leistungselektronik 10A bilden, sind auf einem ersten Abschnitt 144a der oberen Metallschicht 144 angeordnet. Eine zweite Gruppe der Halbleiterschaltelemente 12, die eine Modullowside der als Halbbrückenmodul ausgelegten Leistungselektronik 10A bilden, sind auf einem zweiten Abschnitt 144c der oberen Metallschicht 144 angeordnet. Ein Leiterrahmen (Leadframe) 22 ist zum elektrischen Verbinden der Halbleiterschaltelemente 12 innerhalb der Leistungselektronik 10A vorgesehen. Der Leiterrahmen 22 umfasst einen ersten Abschnitt 22a, der die erste Gruppe der Halbleiterschaltelemente 12 mit einem mittleren Abschnitt 144b der oberen Metallschicht 144 elektrisch verbindet. Der Leiterrahmen 22 umfasst zudem einen zweiten Abschnitt 22b, der den mittleren Abschnitt 144a der oberen Metallschicht 144 mit der zweiten Gruppe der Halbleiterschaltelemente 12 elektrisch verbindet. Diese Konfiguration ermöglicht eine zwecks Pulsbreitenmodulation bereitzustellende Stromführung durch Schalten der Halbleiterschaltelemente zwischen dem Durchlasszustand und dem Sperrzustand.
Mehrere Leistungsanschlüsse 16a, 16b, 16c sind zum elektrischen Verbinden der Halbleiterschaltelemente 12 mit externen Stromkreisen (d.h. Stromkreisen außerhalb der Leistungselektronik 10A) vorgesehen. Wie in der Perspektivansicht in Fig. 1 und der Draufsicht in Fig. 2 schematisch und beispielhaft gezeigt, sind zwei erste Leis- tungsanschlüsse 16c sowie zwei zweite Leistungsanschlüsse 16b zum Einspeisen eines DC-Eingangsstroms in die Halbleiterschaltelemente 12, der durch eine DC-Ein- gangsspannung bereitgestellt ist, auf einer Oberseite 142 des mehrschichtigen Substrats 14 fixiert angebracht. Die ersten Leistungsanschlüsse 16c sind einem DC-Plus- pol der DC-Eingangsspannung zugeordnet und auf dem ersten Abschnitt 144a der oberen Metallschicht 144 angeordnet. Die zweiten Leistungsanschlüsse 16b sind einem DC-Minuspol der DC-Eingangsspannung zugeordnet und auf dem zweiten Abschnitt 144c der oberen Metallschicht 144 angeordnet. Zusätzlich sind zwei dritte Leistungsanschlüsse 16a zum Abgreifen eines AC-Ausgangsstroms bzw. eines Phasenstroms auf der Oberseite 142 des mittleren Abschnitts 144b der oberen Metallschicht 144 fixiert angebracht. Der Phasenstrom entsteht durch Umwandeln des DC-Eingangsstroms mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente 12 gemäß der Pulsbreitenmodulation. Die Leistungsanschlüsse 16a-c stehen mit ihrem jeweils dazugehörigen Abschnitt 144a-c der oberen Metallschicht 144 des Substrats 14 in elektrischer Verbindung, was beispielsweise mittels einer metallischen Löt-, Sinter- oder Klebschicht erfolgen kann. Die Anzahl der Leistungsanschlüsse 16a-c ist hier rein beispielhaft gewählt und für die vorliegende Erfindung keineswegs einschränkend.
Wie in Fig. 1-2 rein beispielhaft und schematisch gezeigt, sind die Leistungsanschlüsse 16a-c T-förmig ausgebildet und umfassen jeweils einen Schaftabschnitt 164 und einen Koptabschnitt mit einer Kontaktfläche 162 zum oberseitigen Kontaktieren der Leistungselektronik 10A. Ein Halterrahmen 18 ist zur Halterung der Leistungsanschlüsse 16a-c in Verbindung miteinander angeordnet. Der Halterrahmen 18 ist vorliegend rein beispielhaft als vorgefertigtes Spritzgussbauteil bzw. als vorgefertigter Spritzgussrahmen ausgebildet. Im Halterrahmen 18 sind mehrere Durchgangsöffnungen ausgebildet, durch die sich die einzelnen Leistungsanschlüsse 16a-c hindurcherstrecken. Der Halterrahmen 18 ist hier rein beispielhaft H-förmig ausgebildet und umfasst zwei zueinander im Wesentlichen parallel verlaufende Längsabschnitte 186 sowie einen die Längsabschnitte 186 miteinander verbindenden Brückenabschnitt 184. Die Leistungsanschlüsse 16a-c sind entsprechend der Geometrie des Halterrahmens 18 in zwei in der Längsrichtung ausgerichteten Reihen mit je drei Leistungsanschlüsse 16a-c angeordnet. Der Halterrahmen 18 weist eine Oberfläche 182 auf, die von der Oberseite 142 des Substrats 14 abgewandt ist. Wie in Fig. 3 in einer Explosionsansicht schematisch gezeigt, werden die Leistungsanschlüsse 16a-c in einem Zustand, in dem diese im Halterrahmen 18 gehaltert sind, von oben auf die Oberseite 142 des Substrats 14 gefügt und mit dieser elektrisch leitend verbunden. Das Resultat dieses Herstellungsschrittes ist in Fig. 4 in einer Seitenansicht schematisch gezeigt. Dort ist außerdem ein Spritzwerkzeug 20 ersichtlich, das zum Ausformen einer stromisolierenden Schutzverkleidung bzw. Vergussmasse dient. Das Spritzgusswerkzeug 20 umfasst dazu einen Deckelkörper 202 und einen Grundkörper 204. Die Leistungselektronik 10A wird im hier gezeigten Zustand, in dem die mittels des Halterrahmens 18 gehalterten Leistungsanschlüsse 16a-c auf der Oberseite 142 des Substrats 14 aufliegen, in eine Vertiefung des Grundkörpers 204 eingebracht. Danach wird der Deckelkörper 202 zum Verschließen der Leistungselektronik 10A von oben auf diese bzw. auf den Grundkörper 204 aufgelegt, derart, dass mehrere innere Stützelemente 203 und seitliche Stützelemente 205 die Oberfläche 182 des Halterrahmens 18 unmittelbar beaufschlagen. Hierbei bilden die Stützelemente 203, 205 mehrere den Kontaktflächen 162 der Leistungsanschlüsse 16a-c entsprechend angeordnete Zwischenräume 207, sodass der Deckelkörper 202 beim Zusammenfügen mit dem Grundkörper 204 die Leistungsanschlüsse 16a-c nicht beaufschlagt. Wie in Fig. 4 ersichtlich, definieren das Spritzgusswerkzeug 20 und die Leistungselektronik 10A in der gezeigten Konfiguration einen Spritzgussraum 209, der während des Spritzgussverfahrens mit einem elektrisch isolierenden Spritzgussmaterial 24 befällt wird, welches in den Spritzgussraum 209 injiziert wird. Die im Spritzgusswerkzeug 20 aufgenommene Leistungselektronik 10A wird hierbei mit dem Spritzgussmaterial 24 umspritzt. Die vom Deckelkörper 202 beaufschlagten Bereiche der Oberfläche 182 des Halterrahmens 18 bilden Abdichtflächen zum Abdichten der Zwischenräume 207 gegen das injizierte Spritzgussmaterial 24. Aufgrund der vergleichsweise hohen Homogenität der Oberflächenbeschaffenheit des Halterrahmens 18 ist eine verbesserte Abdichtung der Zwischenräume 207 und somit der freizulegenden Bereiche der Leistungselektronik 10A daher ermöglicht. Hierdurch wird wirksam verhindert, dass Partikel des Spritzgussmaterials 24 auf die Kontaktflächen 162 der Leistungsanschlüsse 16a-c gelangen und sich dort eine unerwünschte Isolationsschicht bildet, die die Stromführung mittels der Leistungsanschlüsse 16a-c sonst beeinträchtigt. In Fig. 5-6 ist eine Leistungselektronik 10B gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Perspektivansicht bzw. einer Draufsicht schematisch gezeigt Die dort gezeigte Leistungselektronik 10B ist der Leistungselektronik 10A aus Fig. 1-4 analog ausgebildet und unterscheidet sich von Letzterer lediglich in der konkreten Bauform der Leistungsanschlüsse 17a-c. Die bezogen auf die Leistungselektronik 10A aus Fig. 1-4 beschriebenen Herstellungsschritte und damit einhergehenden Vorteile gelten daher auch für die Leistungselektronik 10B aus Fig. 5-6. Die Leistungsanschlüsse 17a-c der Leistungselektronik 10B sind zylindrisch ausgebildet und umfassen jeweils einen Zylinderschaft 174 und eine Kontaktfläche 172 an einem oberen Ende des Zylinderschaftes 174. Die Leistungsanschlüsse 17a-c sind, wie in Fig. 5 gezeigt, in mehreren (hier sechs) Gruppen aufgeteilt, wobei jede Gruppe hier rein beispielhaft drei Leistungsanschlüsse 17a-c umfasst. Zwei Gruppen von ersten Leistungsanschlüssen 17c sind dem DC-Pluspol der DC-Eingangsspannung zugeordnet und auf dem ersten Abschnitt 144a der oberen Metallschicht 144 angeordnet. Zwei Gruppen von zweiten Leistungsanschlüssen 17b sind dem DC-Minuspol der DC-Eingangsspannung zugeordnet und auf dem zweiten Abschnitt 144c der oberen Metallschicht 144 angeordnet. Zwei Gruppen von dritten Leistungsanschlüssen 17a sind zum Abgreifen des Phasenstroms auf der Oberseite 142 des mittleren Abschnitts 144b der oberen Metallschicht 144 fixiert angebracht. Die hier gezeigte gruppenweise Anordnung der Leistungsanschlüsse 17a- c ist zumindest dahingehend vorteilhaft, dass zum Einspeisen des Eingangsstroms und zum Abgreifen des Ausgangsstroms jeweils vergleichsweise mehr Kontaktierungen zur Verfügung stehen, sodass beim Ausfallen einer Kontaktierung, etwa beim Durchbrechen einer Lötverbindung an einer Kontaktfläche 172, zusätzliche Kontaktierungen die Stromführung nach außen sicherstellen.
In Fig. 7-8 ist eine Leistungselektronik 10C gemäß einerweiteren Ausführungsform in einer Draufsicht bzw. einer Seitenansicht schematisch gezeigt. Die dort gezeigte Leistungselektronik 10C ist der Leistungselektronik 10A aus Fig. 1-4 ebenfalls analog ausgebildet und unterscheidet sich von Letzterer lediglich in der konkreten Bauform des Halterrahmens 18 sowie darin, dass neben den Leistungsanschlüssen 16a-c zusätzlich Signalpins 26 und ein Temperatursensor 28 mittels des Halterrahmens 18 gehaltert sind. Die bezogen auf die Leistungselektronik 10A aus Fig. 1-4 beschriebenen Herstellungsschritte und damit einhergehenden Vorteile gelten daher auch für die Leistungselektronik 10B aus Fig. 7-8. Wie in Fig. 7 schematisch ersichtlich, weist der Halterrahmen 18 zusätzlich zu den Längsabschnitten 186 und dem Brückenabschnitt 184 an den beiden Längsenden jeweils einen Endabschnitt 187 auf, der die beiden Längs- abschnitte 186 miteinander verbindet. Auf den Höhen der Endabschnitte 187 sind jeweils mehrere Signalpins 26 angeordnet, die sich von der Oberseite 142 des Substrats 14 über entsprechend positionierte Durchgangsöffnungen in den Endabschnitten 187 über diese nach oben hinausragen. Analog erstrecken sich zwei Sensorpins 282 des zwischen dem Halterrahmen 18 und dem Leiterrahmen 22a, b angeordneten Temperatursensors 28 durch einen der Längsabschnitte 186 hindurch nach oben. Alternativ oder zusätzlich kann ein Stromsensor (hier nicht gezeigt) analog zum hier gezeigten Temperatursensor 28 von oben kontaktierbar am Halterrahmen 18 fixiert werden.
Des Weiteren ist ein Befestigungssteg 190 auf dem Brückenabschnitt 184 angeordnet, die zum Befestigen einer Stromschiene und/oder einer Leiterplatte (hier nicht gezeigt) ausgebildet ist. Der Befestigungssteg 190 ist hier rein beispielhaft zylindrisch ausgeformt und kann mittels Heißverstemmens bewerkstelligt werden. Dies ist jedoch für die vorliegende Erfindung keineswegs einschränkend. Alternativ kann der Befestigungssteg 190 mittels einer Kleb- oder Schraubverbindung am Halterrahmen 18 fixiert werden.
Wie in Fig. 8 rein beispielhaft und schematisch gezeigt, sind die Leistungsanschlüsse 16a-c jeweils mittels einer elektrisch leitenden ersten Verbindungsschicht 30 an die Oberseite 142 des Substrats 14 angebunden. Auch ist der Leiterrahmen 22a, b mittels einer elektrisch leitenden zweiten Verbindungsschicht 32 an die Oberseite 142 des Substrats 14 angebunden, wobei der Leiterrahmen 22a, b gleichzeitig mittels einer elektrisch leitenden dritten Verbindungsschicht 34 an die Halbleiterschaltelemente 12 angebunden ist. Die erste, zweite und/oder dritte Verbindungsschicht 30, 32, 34 kann eine Löt-, Sinter- oder Klebschicht aufweisen.
Es ist außerdem denkbar, die Leistungsanschlüsse 16a-c bei der in Fig. 7-8 gezeigten Ausführungsform durch die gruppenweise angeordneten zylindrischen Leistungsan- Schlüsse 17a-c aus Fig. 5-6 oder Leistungsanschlüsse einer anderen geeigneten Bauform zu ersetzen. Die hier gezeigte genaue Konfiguration der Leistungselektronik ist für die vorliegende Erfindung nicht als einschränkend aufzufassen.
Bezugszeichen A-C Leistungselektronik
Halbleiterschaltelemente
S ch a I tu n g sträg e r/S u bstrat 2 Oberseite 4 obere Metallschicht 4a-c erster, mittlerer, zweiter Abschnitt6 Isolationsschicht 8 untere Metallschicht a-c Leistungsanschlüsse 2 Kontaktfläche 4 Schaftabschnitt
Halterrahmen 2 Oberfläche 4 Brückenabschnitt 6 Längsabschnitt 7 Endabschnitt 0 Befestigungssteg
Spritzgusswerkzeug 2 Deckelkörper 3, 205 innere, seitliche Stützelemente 4 Grundkörper 7 Zwischenräume 9 Spritzgussraum
Leiterrahmen a, b erster, zweiter Abschnitt
Spritzgussmaterial/Moldmaterial
Signalpins
Temperatursensor , 32, 34 Verbindungsschicht

Claims

Patentansprüche
1. Leistungselektronik (10A-C) für einen Stromrichter zur Verwendung in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug, aufweisend: mehrere Halbleiterschaltelemente (12) zum Umwandeln einer durch eine eingangsseitige Spannungsquelle bereitgestellten Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente (12), einen Schaltungsträger (14), an dessen Oberseite (142) die Halbleiterschaltelemente (12) unterseitig angebunden sind, mehrere Leistungsanschlüsse (16a-c) zum Einspeisen eines der Eingangsspannung entsprechenden Eingangsstroms in die Halbleiterschaltelemente (12) und/oder zum Abgreifen eines der Ausgangsspannung entsprechenden Ausgangsstroms aus den Halbleiterschaltelementen (12), wobei die Leistungsanschlüsse (16a-c) auf der Oberseite (142) des Schaltungsträgers (14) fixiert angebracht sind und jeweils eine von oben zugängliche Kontaktfläche (162) aufweisen, wobei zumindest ein Leistungsanschluss (16a-c) mittels eines Halterrahmens (18) in Verbindung miteinander gehaltert ist, wobei der Halterrahmen (18) aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist und eine von der Oberseite (142) des Schaltungsträgers (14) abgewandte Oberfläche (182) aufweist, die zwecks Aufbringens einer stromisolierenden Schutzverkleidung mittels eines Spritzgussverfahrens von einem Spritzgusswerkzeug (20) beaufschlagbar ist.
2. Leistungselektronik (10A-C) nach Anspruch 1 , wobei die Leistungsanschlüsse (16) T-förmig ausgebildet sind, wobei der Halterrahmen (18) mehrere Öffnungen aufweist, durch die sich die T-förmigen Leistungsanschlüsse (16a-c) hindurcherstrecken .
3. Leistungselektronik (10A-C) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Leistungsanschlüsse (16a-c) in mehreren Reihen angeordnet sind, wobei die Leistungsanschlüsse (16a-c) jeder Reihe mittels eines dazugehörigen Längsabschnittes (186) des Halterrahmens (18) miteinander in Verbindung stehend gehaltert sind.
4. Leistungselektronik (10A-C) nach Anspruch 3, wobei der Halterrahmen (18) einen Brückenabschnitt (184) umfasst, der zwischen zwei Längsabschnitten (186) des Halterrahmens (18) diese miteinander verbindend angeordnet ist.
5. Leistungselektronik (1 OA-C) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halterrahmen (18) als Spritzgussrahmen ausgebildet ist, wobei der Halterrahmen (18) vorzugsweise durch Umspritzen der Leistungsanschlüsse (16a-c) gebildet wird, oder wobei der Halterrahmen (18) vorzugsweise als vorgefertigtes Bauteil mit den Leistungsanschlüssen (16a-c) in Verbindung gebracht wird..
6. Leistungselektronik (1 OA-C) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halterrahmen (18) einen Befestigungssteg (190) zum Befestigen einer Stromschiene und/oder einer Leiterplatte aufweist.
7. Verfahren zum Herstellen einer Leistungselektronik (10A-C) für einen Stromrichter zur Verwendung in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug, aufweisend:
Bereitstellen eines Schaltungsträgers (14), der eine Oberseite (142) aufweist,
Anbinden mehrerer Halbleiterschaltelemente (12) an die Oberseite (142) des Schaltungsträgers (14) zum Umwandeln einer durch eine eingangsseitige Spannungsquelle bereitgestellten Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente (12),
Anbringen mehrerer Leistungsanschlüsse (16a-c) auf die Oberseite (142) des Schaltungsträgers (14) zum Einspeisen eines der Eingangsspannung entsprechenden Eingangsstroms in die Halbleiterschaltelemente (12) und/oder zum Abgreifen eines der Ausgangsspannung entsprechenden Ausgangsstroms aus den Halbleiterschaltelementen (12), wobei die Leistungsanschlüsse (16a-c) auf der Oberseite (142) des Schaltungsträgers (14) fixiert angebracht sind und jeweils eine von oben zugängliche Kontaktfläche (162) aufweisen,
Haltern zumindest eines Leistungsanschlusses (16a-c) in Verbindung miteinander mittels eines Halterrahmens (18), wobei der Halterrahmen (18) eine von der Oberseite (142) des Schaltungsträgers (14) abgewandte Oberfläche (182) aufweist, Beaufschlagen der Oberfläche (182) des Halterrahmens (18) durch ein Spritzgusswerkzeug (20) zwecks Aufbringens einer stromisolierenden Schutzverkleidung mittels eines Spritzgussverfahrens, nachdem die Leistungsanschlüsse (16a-c) auf die Oberseite (142) des Schaltungsträgers (14) angebracht sind.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Leistungsanschlüsse (16a-c) zunächst mittels des Halterrahmens (18) in Verbindung miteinander gehaltert werden, bevor die gehalterten Leistungsanschlüsse (16) auf die Oberseite (142) des Schaltungsträgers (14) angebracht werden.
9. Stromrichter, insbesondere Wechselrichter, zur Verwendung in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug, insbesondere zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs, umfassend eine Leistungselektronik (10A-C) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
10. Elektrischer Achsantrieb für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, umfassend eine E-Maschine, eine Getriebeeinrichtung und einen Stromrichter, insbesondere einen Wechselrichter, nach Anspruch 9.
11. Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, umfassend einen elektrischen Achsantrieb nach Anspruch 10.
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