DE102010016565B4

DE102010016565B4 - Vorrichtung zur Umwandlung elektrischer Leistung für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE102010016565B4
Application number: DE102010016565.4A
Authority: DE
Inventors: Takashi Tsuboi; Katsuhisa Mase; Yasuyoshi Toda
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-04-24
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2017-06-08
Anticipated expiration: 2030-04-22
Also published as: JP5152526B2; JP2010254128A; DE102010016565A1; CA2695263A1; CA2695263C; US20100270958A1; US8742708B2

Abstract

Vorrichtung zum Umwandeln von elektrischer Leistung für ein Fahrzeug mit einem Elektromotor (18) als einem elektrischen Stellglied einer fahrzeuginternen Vorrichtung, wobei die Vorrichtung aufweist:
eine Umwandlungsschaltung (IV) für elektrische Leistung; und
einen Leistungstransistor (Tr) mit einem Gate-Anschluss (TG), einem Source-Anschluss (TS) und einem Drain-Anschluss (TD), der einen Ausgangsanschluss der Umwandlungsschaltung (IV) für elektrische Leistung und einen Motoranschluss des Elektromotors (18) über den Source-Anschluss (TS) und den Drain-Anschluss (TD) verbindet, wobei der Drain-Anschluss (TD) des Leistungstransistors (Tr) mit dem Motoranschluss jeder einer Mehrzahl von Phasen des Elektromotors (18) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Source-Anschluss (TS), der Gate-Anschluss (TG) und der Drain-Anschluss (TD) mit einem Halbleiter-Chip (32) verbunden sind, der den Leistungstransistor (Tr) ausbildet, und
der Leistungstransistor (Tr) den Source-Anschluss (TS) derart aufweist, dass dieser zwischen dem Gate-Anschluss (TG) und dem Drain-Anschluss (TD) positioniert ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln von elektrischer Leistung, welche mit einem elektrischen Motor verbunden ist, der als ein Aktuator bzw. Stellglied für eine fahrzeuginterne Vorrichtung, wie etwa ein elektrisches Servolenksystem für ein Fahrzeug, verwendet wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei einer herkömmlichen Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Leistung werden mechanische Relais zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen den Motorphasenanschlüssen eines dreiphasigen Elektromotors und den Ausgangsanschlüssen einer Umrichterschaltung verwendet. Wenn derartige mechanische Relais verwendet werden, kann jedoch die Zuverlässigkeit ihres Betriebs durch Fremdpartikel, die des öfteren zur Verklemmung führen, herabgesetzt sein. Die folgende Patentschrift schlägt daher die Verwendung von Feldeffekttransistoren des Leistungs-MOS-Typs anstelle derartiger mechanischer Relais vor.

JP 2006-21645 A

Gemäß diesem Vorschlag werden Transistoren zwischen einem dreiphasigen Elektromotor und einer Umrichterschaltung geschaltet, so dass die elektrische Verbindung bzw. Unterbrechung von dem dreiphasigen Elektromotor und der Umrichterschaltung durch eine an das Gate des Transistors angelegte Spannung gesteuert wird.
Falls jedoch der für den Elektromotor erforderliche Strom erhöht wird, tendiert die durch die Transistoren erzeugte Wärmemenge dazu, sich während einer Zeitdauer, in welcher der Transistor zum elektrischen Verbinden der Umrichterschaltung und des Elektromotors eingeschaltet wird, sich exzessiv zu erhöhen. Falls die durch den Transistor erzeugte Wärmemenge exzessiv bzw. übermäßig ansteigt, verringert sich jedoch die Zuverlässigkeit des Transistors.
DE 10 2005 001 703 A1 offenbart eine elektrische Servolenkvorrichtung mit einem Dreiphasenmotor, der an drei Phasenleitungen angeschlossen ist, welche Vorrichtung Widerstandswerte der drei Phasenleitungen während eines Leitens entzerren kann. Eine elektrische Servolenkvorrichtung hat drei Phasenleitungen, einen Dreiphasenmotor und Halbleiter-Schaltelemente. Die drei Phasenleitungen sind an den Dreiphasenmotor angeschlossen. Drei Halbleiter-Schaltelemente sind vorgesehen, und zwar eines für jede Phasenleitung.
DE 10 2004 023 713 A1 offenbart ein System zum Auskuppeln eines Motors, welches einen Motor mit einer Mehrzahl von Motorwicklungen und einer Mehrzahl von unidirektionalen Schaltern aufweist. Der Mehrzahl von unidirektionalen Schaltern entspricht eine in der Anzahl gleiche Zahl an Motorwicklungen. Jede Motorwicklung ist in elektrischer Serienverbindung mit einem der unidirektionalen Schalter. Eine Gate-Treiberschaltung ist in Verbindung mit jedem der unidirektionalen Schalter. Eine Leistungsschaltung ist in Verbindung mit jedem der unidirektionalen Schalter.
DE 102 23 139 A1 offenbart einen elektronisch kommutierbaren Motor mit einer vorzugsweise drei-strängigen Erregerwicklung im Stator, welche zur Erzeugung eines Drehmomentes für einen Dauermagnet-Rotor über eine mit Halbleiterschaltern bestückte Kommutierungsanordnung und eine Motorsteuerung an eine Gleichspannungsquelle anschließbar ist. Der Motor ist bestimmt zur Verwendung als Antriebsmotor eines sicherheitskritischen Nebenantriebs in einem Kraftfahrzeug, insbesondere als Antriebsmotor einer elektrischen Lenkhilfe, wobei zusätzliche oder vorhandene Schaltmittel im Falle eines Windungsschlusses und/oder eines Fehlers in den Halbleiterschaltern der Kommutierungsanordnung ein vom Motor erzeugtes Bremsmoment unterbinden oder zumindest teilweise kompensieren. JP 2008-72 865 A offenbart einen Leistungsversorgungsschaltkreis, der eine Stoßspannung reduziert, und der eine Wechselstromleitung zur Leistungsversorgung mittels eines Halbleiterschalters unterbricht.
US 2008/0 023 825 A1 offenbart einen DC-DC Wandler in einem „multi-die-package” mit einer Schottky-Diode am Ausgang und einem masseseitigen vertikalen MOSFET, der durch eine Leistungsversorgungssteuereinrichtung gesteuert wird.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Umwandlungsvorrichtung für elektrische Leistung vorzusehen, welche zum Aufrechterhalten der Zuverlässigkeit von Transistoren, die zwischen einer Umwandlungsvorrichtung für elektrische Leistung und einem Elektromotor, der als ein Stellglied in einem Fahrzeug verwendet wird, in der Lage ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Leistung für ein Fahrzeug mit einem Elektromotor, der als ein elektrisches Stellglied für eine fahrzeuginterne Vorrichtung dient, vorgesehen. Die Vorrichtung weist eine Umwandlungsschaltung für elektrische Leistung und einen Leistungstransistor auf. Der Transistor besitzt einen Gate-Anschluss, einen Source-Anschluss und einen Drain-Anschluss und verbindet einen Ausgangsanschluss der Leistungsumwandlungsschaltung und einen Motoranschluss des elektrischen Motors über den Source-Anschluss bzw. den Drain-Anschluss. Der Leistungstransistor besitzt einen Source-Anschluss, der zwischen dem Gate-Anschluss und dem Drain-Anschluss angeordnet ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHUNG
Die vorhergehenden und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung besser ersichtlich. Es zeigt:
1 ein Schaltungsdiagramm, das eine Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Leistung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2A bis 2C schematische Ansichten, die eine Konfiguration und Anordnung eines Halbleiter-Relais zeigt, das in der ersten Ausführungsform verwendet wird;
3 ein Schaltungsdiagramm, das eine Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Leistung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
4A und 4B Schaltungsdiagramme, die Halbleiter-Relais gemäß einer Modifikation der ersten und zweiten Ausführungsform teilweise zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Eine Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Leistung für ein Fahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Ausführungsformen beschrieben, in welchen die Vorrichtung mit einem Elektromotor verbunden ist, der beispielsweise als elektrisches Servolenksystem verwendet wird.
(Erste Ausführungsform)
Gemäß 1 enthält ein Lenksystem für ein Fahrzeug, das als eine fahrzeuginterne Vorrichtung vorgesehen ist, ein Lenkrad 10, eine Einganswelle 12, ein Getriebe 20, Räder 22 und dergleichen. Das Lenkrad 10 wird durch einen Fahrer zum Verändern der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs betätigt. Die Eingangswelle 12 ist in Übereinstimmung mit einem Drehvorgang der Lenkwelle 10 drehbar. Die Eingangswelle 12 ist mit einem Hauptzahnrad 14 mechanisch gekoppelt, um mit diesem zusammen um die gleiche Drehachse zu drehen.
Das Hauptzahnrad 14 steht in Eingriff mit einem Hilfszahnrad 16. Das Hilfszahnrad 16 ist mit einer Ausgangswelle 18a eines Elektromotors 18 mechanisch gekoppelt, um zusammen mit diesem um die gleiche Drehachse zu drehen.
Die Eingangswelle 12 ist an ihrem, dem Lenkrad 10 gegenüberliegenden Ende ebenso mit dem Getriebe 20 mechanisch gekoppelt. Das Getriebe 20 ist zur Übertragung der Drehung der Eingangswelle 12 auf die Räder unter Veränderung eines Drehzahlverhältnisses vorgesehen. Somit ist das Lenkrad 10 mit den Rädern 22 mechanisch gekoppelt.
Mit dem Elektromotor 18, dem Hilfszahnrad 16 und dergleichen arbeitet das Lenksystem als ein elektrisches Servolenksystem. Der Elektromotor 18 ist als ein elektrisches Stellglied des elektrischen Servolenksystems vorgesehen, so dass es dem manuellen Lenkvorgang des Fahrers, der das Lenkrad 10 zum Verändern des Fahrzeuglenkwinkels bedient, unterstützt.
Der Elektromotor 18 ist ein dreiphasiger Elektromotor. Der Elektromotor 18 wird mit elektrischer Leistung aus einer Batterie 30 über eine Umrichterschaltung IV versorgt. Die Umrichterschaltung IV besitzt eine erste Reihenverbindung von Schaltungselementen Sup, Sun, eine zweite Reihenverbindung von Schaltungselementen Svp, Svn und eine dritte Reihenverbindung Schaltungselementen Swp, Swn zwischen der Batterie 30 und Massepotential. Die Verbindungen zwischen den Schaltungselementen der ersten, zweiten und dritten Reihenverbindungen sind mit Motorphasenanschlüssen der Wicklungen der U-Phase, V-Phase bzw. W-Phase des Elektromotors 18 verbunden. Als Schaltungselemente Sup, Sun, Svp, Svn, Swp, Swn werden N-Kanal-Leistungs-MOS-Feldeffekttransistoren Tru, Trv, Trw verwendet, die jeweilige Body-Dioden Dup, Dun, Dvp, Dvn, Dwp, Dwn enthalten.
Es ist unmöglich, dass der Elektromotor 18 beim Betrieb des Servolenksystems ein Hilfsdrehmoment erzeugt, falls ein Schaltungselement der Umrichterschaltung IV beispielsweise einen Kurzschlussfehler aufweist. Sogar in diesem Fall verbleibt der kurzgeschlossene Teil oder die Diode als ein Stromversorgungspfad für den Elektromotor 18. Der Elektromotor 18 arbeitet als ein elektrischer Leistungsgenerator. Folglich wird ein Drehmoment entgegengesetzt zu der manuellen Betätigung des Lenkrads 10 durch den Fahrer ausgeübt. Es wird daher für den Fahrer sehr schwierig, das Lenkrad manuell zu betätigen, wenn das elektrische Servolenksystem einen Kurzschlussfehler aufweist.
Um diese Schwierigkeit zu umgehen, bzw. zu vermeiden, sind Halbleiter-Relais Tru, Trv, Trw zwischen den Ausgangsanschlüssen der drei Phasen der Umrichterschaltung IV und den Motoranschlüssen der drei Phasen des Elektromotors 18 vorgesehen. Jeder der Halbleiter-Relais Tru, Trv, Trw besitzt ebenso einen N-Kanal-Leistungs-MOS-Feldeffekttransistor. Jeder der Transistoren ist mit einer Body-Diode (Bdu, Bdv, Bdw) ausgebildet, welche derart verbunden sind, dass sie von dem Source-Anschluss zu dem Drain-Anschluss in Vorwärtsrichtung vorgespannt sind. Das heißt, die Anode bzw. Kathode jeder Body-Diode Bdu, Bdv, Bdw ist mit der Source bzw. dem Drain jedes Halbleiter-Relais Tru, Trv, Trw verbunden. Bei der folgenden Beschreibung werden die Halbleiter-Relais Tru, Trv, Trw und die Dioden Bdu, Bdv, Bdw allgemein als Halbleiter-Relais Tr und Diode Bd bezeichnet.
Der Source-Anschluss des Halbleiter-Relais Tr ist mit dem Ausgangsanschluss der Umrichterschaltung IV verbunden. Der Drain-Anschluss des Halbleiter-Relais Tr ist mit dem Motoranschluss des Elektromotors 18 verbunden. Alle Dioden Bdu, Bdv, Bdw sind so verbunden, dass sie von der Umrichterschaltung IV zu dem Elektromotor 18 hin in Vorwärtsrichtung vorgespannt sind.
Wenn das Halbleiter-Relais Tr ausgeschaltet wird, wird so die Umrichterschaltung IV und der Elektromotor 18 sicher bzw. zuverlässig elektrisch voneinander getrennt. Das Halbleiter-Relais Tr ist mit der Diode Bd ausgebildet. Auch wenn das Halbleiter-Relais Tr ausgeschaltet wird, ist ein Stromfluss zwischen dem Ausgangsanschluss der Umrichterschaltung IV und dem Motoranschluss des Elektromotors 18 über die Diode Bd möglich. Gemäß dem Kirchhoffschen Gesetz ist die Summe der drei Phasenströme des Elektromotors 18 Null. Daher ist es für einen Stromfluss zu dem Elektromotor 18 notwendig, dass, sollte eine Phase Strom in den elektrischen Motor 18 führen, eine andere Phase Strom zu dem Elektromotor 18 führen muss. Das heißt, es sind zwei elektrische Pfade notwendig, so dass ein elektrischer Pfad einen Stromfluss von der Umrichterschaltung IV zu dem Elektromotor 18 ermöglicht und ein anderer elektrischer Pfad den Stromfluss von dem Elektromotor 18 zu der Umrichterschaltung IV ermöglicht. Durch Anordnen aller Dioden Bdu, Bdv, Bdw in der gleichen Stromflussrichtung (Vorwärtsrichtung), wie zuvor beschrieben, ist es daher möglich den Stromfluss in den Elektromotor 18 sicher zu verhindern, wenn alle Halbleiter-Relais Tru, Trv, Trw ausgeschaltet sind. Das heißt die Umrichterschaltung IV und der Elektromotor 18 sind voneinander sicher bzw. zuverlässig elektrisch getrennt.
Der Drain-Anschluss des Halbleiter-Relais Tr ist mit dem Motoranschluss des Elektromotors 18 verbunden, da die Stehspannung zwischen dem Gate-Anschluss und dem Drain-Anschluss des Halbleiter-Relais Tr größer ist als zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss. Da der Strom schwankt, wenn die Schaltelemente der Umrichterschaltung IV ein- und ausgeschaltet werden, erzeugen die induktiven Komponenten des Elektromotors 18 Spitzenströme und Überspannungen. Diese Spitzenströme und Überspannungen liegen ebenso an dem Halbleiter-Relais Tr an. Das Halbleiter-Relais Tr muss daher so ausgelegt sein, dass es diesen Spitzenströmen und Überspannungen standhält. Es ist daher effektiv, die Stehspannung zwischen dem Gate-Anschluss und dem Drain-Anschluss des Halbleiter-Relais Tr als Gegenmaßnahme für die Spitzenströmen und Überspannungen des Elektromotors 18 zu verwenden, so dass die erforderliche Stehspannung des Halbleiter-Relais Tr soweit wie möglich verringert werden kann. Aus diesem Grund ist der Drain-Anschluss des Halbleiter-Relais Tr mit dem Anschluss des Elektromotors 18 verbunden.
Das Halbleiter-Relais Tr wird so gesteuert, dass es in dem Einschaltzustand ist, während die manuelle Betätigung des Lenkrades 10 unterstützt werden soll. Dabei ist es recht wahrscheinlich, dass die durch das Halbleiter-Relais Tr erzeuge Wärme ansteigt, da der Stromfluss in dem Elektromotor 18 vergleichsweise groß ist (beispielsweise einige zig bis hundert und eine zig Amperes, vermutlich mehr als 90 Amperes). Das Halbleiter-Relais Tr ist wie in 2A bis 2C konfiguriert und angeordnet.
Wie in 2A, welches eine obere Draufsicht ist, gezeigt, besitzt der Transistor Tr den Drain-Anschluss TD an seiner rückwärtigen Stirnseite. Der Drain-Anschluss TD ist gegenüberliegend einer Wärmesenke HS durch bzw. mit einer Isolationsschicht IV dazwischen, welche ein Wärmeisolationsteil vorgesehen ist, angeordnet. Die Wärmesenke HS ist ein Wärmeabstrahlteil und kann aus Aluminium oder dergleichen ausgebildet sein.
Ein Halbleiter-Chip 32 des Halbleiter-Relais Tr ist vertikal aufgebaut. Genauer Gesagt ist der Halbleiter-Chip 32 mit einem Source-Bereich und einem Gate an seiner vorderen (Haupt-)Stirnseite ausgebildet. Der Halbleiter-Chip 32 ist mit einem Drain-Bereich auf der dazu gegenüberliegenden Seite (hintere Stirnseite) ausgebildet. Wie in 2B gezeigt, welches eine untere Draufsicht ist, belegt der Drain-Anschluss TD den größten Teil der rückwärtigen Stirnseite des Transistors Tr. Der Drain-Anschluss TD ist freigelegt dargestellt. Gemäß dieser Konfiguration kann der Drain-Bereich des Halbleiter-Chips 32 groß bemessen werden, um ein hohes Wärmeabführvermögen bzw. eine hohe Wärmeabstrahlleistung aufzuweisen. Mit der vergrößerten bzw. großen Fläche des Drain-Anschlusses TD kann die in dem Drain-Bereich erzeugte Wärme zuverlässig bzw. ausreichend abgestrahlt bzw. abgeführt werden. Da der Drain-Anschluss TD der Wärmesenke HS gegenüberliegt, kann die Wärmeabstrahlleistung des Drain-Anschlusses TD weiter verbessert werden.
Der Source-Bereich des Halbleiter-Chips 32 tendiert andererseits dazu kleiner als der Drain-Bereich bemessen zu werden, obgleich die gleiche Menge an Strom in beiden Bereichen fließt. Da die Vorderstirnseite des Halbleiter-Chips 32 nicht lediglich mit dem Source-Bereich ausgebildet ist, sondern ebenso einen Teil zum Kontaktieren mit dem Gate aufweist, ist ein Kontaktbereich zwischen dem elektrischen Leiter (Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit), welcher den Source-Bereich des Halbleiter-Chips 32 kontaktiert, und der Source-Bereich begrenzt.
Daher ist das Halbleiter-Relais Tr so ausgebildet, dass der Source-Anschluss TS zwischen dem Gate-Anschluss TG und dem Drain-Anschluss TD liegt. Das heißt, bezüglich der Ansschlussteile, welche sich parallel zueinander in der gleichen Ebene erstrecken, ist bei dem Gate-Anschluss TG, dem Drain-Anschluss TD und dem Source-Anschluss TS der Source-Anschluss TS zwischen dem Gate-Anschluss TG und dem Drain-Anschluss TD angeordnet. Der Abstand zwischen dem Halbleiter-Chip 32 und dem Source-Anschluss TS kann verglichen mit dem Fall, bei dem der Drain-Anschluss TD zwischen dem Gate-Anschluss TG und dem Source-Anschluss TS angeordnet ist, verkürzt werden. In 2C wird gezeigt, dass die Länge eines Teils eines Bonding-Drahts 34, welcher den Source-Bereich und den Source-Anschluss TS des Halbleiter-Chips 32 elektrisch verbindet, zwischen dem Source-Bereich und dem Source-Anschluss TS kürzer ist als die Länge eines Teils eines Bonding-Drahts 36, welcher das Gate und den Gate-Anschluss TG elektrisch verbindet, zwischen dem Gate und dem Gate-Anschluss TG. Der Teil des Bonding-Drahts 34 zwischen dem Source-Bereich und dem Source-Anschluss TS kontaktiert kein thermisch hochleitendes Material und besitzt einen kleinen Oberflächenbereich. Damit besitzt dieser Teil eine geringere Wärmeabstrahlleistung verglichen mit dem Source-Anschluss TS und ähnlichem. Es wird daher bevorzugt, die Länge solch eines Teiles soweit wie möglich zu verkürzen, um die Wärmeabstrahlleistung in dem Source-Bereich zu verbessern. Aus diesem Grund ist der Source-Anschluss TS zwischen dem Gate-Anschluss TG und dem Drain-Anschluss TD in dem Halbleiter-Relais Tr angeordnet.
Da die Wärmeabstrahlleistung des Drain-Anschlusses groß ist, kann, wie zuvor beschrieben, die nahe dem Drain-Anschluss TD erzeugte Wärme aufgrund der Wärmeabstrahlleistung des Drain-Anschlusses TD effektiv abgestrahlt bzw. abgeführt werden. Demzufolge kann bei dem elektrischen Servolenksystem, das in 1 gezeigt ist, die bei dem Elektromotor 18 erzeugte Wärme zu der Wärmesenke HS über den Drain-Anschluss TD abgeführt werden.
Die erste Ausführungsform besitzt folgende Merkmale bzw. Vorteile.

(1) Das Halbleiter-Relais TR weist einen Source-Anschluss TS auf, der zwischen dem Gate-Anschluss TG und dem Drain-Anschluss TD angeordnet ist. Folglich kann die in dem Source-Bereich erzeugte Wärme rasch bzw. zügig zu dem Source-Anschluss TS abgeführt werden. Somit kann ein Temperaturanstieg des Halbleiter-Relais Tr unterdrückt werden und eine Verschlechterung der Zuverlässigkeit des Halbleiter-Relais Tr verhindert werden.
(2) Der Drain-Bereich des Halbleiter-Chips 32, der das Halbleiter-Relais Tr bildet, ist gegenüberliegend der Wärmesenke HS mit der dazwischenliegenden Isolationsschicht IF angeordnet. Folglich kann die in dem Drain-Bereich erzeugte Wärme zügig zu der Wärmesenke HS abgeführt werden.
(3) Jeder der Ausgangsanschlüsse der Umrichterschaltung IV ist mit den entsprechenden Anschlüssen des Elektromotors 18 über ein Relais Tr verbunden. Ferner ist der Drain-Anschluss TD des Halbleiterrelais Tr mit dem Elektromotor 18 verbunden. Folglich kann die elektrische Verbindung bzw. Trennung zwischen der Umrichterschaltung IV und dem Elektromotor 18 durch Steuern der an dem Gate des Halbleiter-Relais Tr angelegten Spannung geeignet durchgeführt werden. Außerdem kann die Fähigkeit zum Widerstehen von Spitzenströmen bzw. Überspannungen auf der Seite des elektrischen Motors 18 erhöht werden und die auf der Seite des Elektromotors 18 erzeugte Wärme kann zuverlässig abgestrahlt bzw. abgeführt werden.

(Zweite Ausführungsform)
Eine Vorrichtung zum Umwandeln elektrischer Leistung gemäß der zweiten Ausführungsform wird in 3 gezeigt, bei welcher die gleichen oder ähnlichen Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsform bezeichnet sind.
Bei der zweiten Ausführungsform sind die Drain-Anschlüsse der Halbleiter-Relais Tru, Trv, Trw mit den Ausgangsanschlüssen der Umrichterschaltung IV verbunden. Auch wenn der elektrische Pfad zwischen dem Halbleiter-Relais Tr und dem Elektromotor 18 einen Kurzschluss zu dem Massepotential aufweist, kann folglich verhindert werden, dass Kurzschlussströme von der Batterie 30 zur Masse über die Diode Bd des Halbleiter-Relais Tr fließen. Da der Drain des Halbleiter-Relais Tr eine höhere Wärmeabstrahlleistung aufweist, kann die Wärmeabstrahlung auf der Seite der Umrichterschaltung IV durch Anordnen des Drains auf der Seite der Umrichterschaltung IV unterstützt werden.
Die zweite Ausführungsform weist die folgenden Merkmale bzw. Vorteile zusätzlich zu den Merkmalen bzw. Vorteilen (1) und (2) der ersten Ausführungsform auf.

(4) Jeder der Ausgangsanschlüsse der Umrichterschaltung N ist mit den entsprechenden Anschlüssen des Elektromotors 18 über ein Halbleiter-Relais Tr verbunden, und der Drain-Anschluss TD des Halbleiter-Relais Tr ist mit der Umrichterschaltung IV verbunden. Folglich kann die elektrische Verbindung bzw. Unterbrechung zwischen der Umrichterschaltung IV und dem Elektromotor 18 durch Steuern der an dem Gate des Halbleiter-Releis Tr angelegten Spannung geeignet durchgeführt werden. Des Weiteren kann auch für den Fall, dass auf der Seite des Elektromotors 18 ein Kurzschluss zur Masse besteht, ein Kurzschlussstrom, der über die Diode Bd des Halbleiter-Relais Tr fließt, zuverlässig verhindert werden. Darüber hinaus kann die auf der Seite der Umrichterschaltung IV erzeugte Wärme geeignet bzw. zuverlässig zu der Wärmesenke HS abgestrahlt bzw. abgeführt werden.

(Modifikation)
Die ersten und zweiten Ausführungsformen können wie folgt modifiziert werden.
Der Transistor, der als das Halbleiter-Relais Tr in jedem elektrischen Pfad zwischen der Umrichterschaltung IV und dem Elektromotor 18 vorgesehen ist, ist nicht auf einen Einzigen beschränkt. Beispielsweise kann auch, wie in 4A und 4B gezeigt, ein Paar von Transistoren Tr1 und Tr2 als das Halbleiter-Relais Tr in jedem elektrischen Pfad oder Phase des Elektromotors 18 vorgesehen werden. Bei diesen Beispielen sind die Transistoren Tr1 und Tr2 in jedem elektrischen Pfad derart verbunden, dass die Anoden der jeweiligen Body-Dioden Bd1 und Bd2 der Transistoren Tr1 und Tr2 miteinander verbunden sind, wie in 4A gezeigt, oder die Kathoden derselbigen miteinander, wie in 4B gezeigt, verbunden sind. Gemäß dieser Anordnung kann die elektrische Verbindung zwischen der Umrichterschaltung IV und dem Elektromotor 18 zuverlässig unterbrochen werden. Bei dem Beispiel der 4A ist der Drain-Anschluss eines der Transistoren Tr1 und Tr2, genauer gesagt des Transistors Tr2, mit der Seite des Elektromotors 18 verbunden und der Drain-Anschluss des anderen Transistors Tr1 ist mit der Seite der Umrichterschaltung IV verbunden. Folglich kann die Wärmeabstrahlleistung der Drain-Anschlüsse des Paars von Transistoren Tr1 und Tr2 vorteilhaft dazu verwendet werden, um die durch den Elektromotor 18 und die Umrichterschaltung IV erzeugte Wärme abzuführen.
Das Halbleiter-Relais Tr, welches als ein Schalter zum elektrischen Verbinden und Trennen des Elektromotors 18 und der Umrichterschaltung IV vorgesehen ist, ist nicht auf einen N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor beschränkt, sondern kann vielmehr auch ein P-MOS-Feldeffekttransistor sein.
Der Elektromotor 18 ist nicht auf einen dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotor beschränkt, sondern kann auch ein Gleichstrommotor mit Bürsten sein. Für diesen Fall kann die Schaltung IV zum Umwandeln der elektrischen Leistung als eine herkömmliche Brückenschaltung anstelle der Umrichterschaltung IV, die in den 1 und 2 gezeigt ist, ausgebildet sein. Beim Verbinden der Motoranschlüsse des Elektromotors 18 mit den Ausgangsanschlüssen der Schaltung IV zum Umwandeln der elektrischen Leistung über die Leistungstransistoren, können die Vorteile (3) der ersten Ausführungsform und (4) der zweiten Ausführungsform durch Verbinden der gleichen Anschlüsse (Anode oder Kathode) mit den Bode-Dioden der Motoranschlüsse des Elektromotors 18 erzielt werden.
Das elektrische Servolenksystem ist nicht auf den offenbarten Typ beschränkt, sondern kann auch ein unterschiedlicher Typ sein, welcher mit einem variablen Getriebesystem (variable gear system VGS) ausgerüstet ist. Da ein solches System ebenso ein Unterbrechungssystem benötigt, kann bei diesem anderen Typ von Servosystem die Schaltung zur Umwandlung der elektrischen Leistung zwischen einer Schaltung zur Umwandlung der elektrischen Leistung und einem Elektromotor vorgesehen sein.

Claims

Vorrichtung zum Umwandeln von elektrischer Leistung für ein Fahrzeug mit einem Elektromotor (18) als einem elektrischen Stellglied einer fahrzeuginternen Vorrichtung, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Umwandlungsschaltung (IV) für elektrische Leistung; und einen Leistungstransistor (Tr) mit einem Gate-Anschluss (TG), einem Source-Anschluss (TS) und einem Drain-Anschluss (TD), der einen Ausgangsanschluss der Umwandlungsschaltung (IV) für elektrische Leistung und einen Motoranschluss des Elektromotors (18) über den Source-Anschluss (TS) und den Drain-Anschluss (TD) verbindet, wobei der Drain-Anschluss (TD) des Leistungstransistors (Tr) mit dem Motoranschluss jeder einer Mehrzahl von Phasen des Elektromotors (18) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Source-Anschluss (TS), der Gate-Anschluss (TG) und der Drain-Anschluss (TD) mit einem Halbleiter-Chip (32) verbunden sind, der den Leistungstransistor (Tr) ausbildet, und der Leistungstransistor (Tr) den Source-Anschluss (TS) derart aufweist, dass dieser zwischen dem Gate-Anschluss (TG) und dem Drain-Anschluss (TD) positioniert ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend: ein Isolationsteil (IF); und ein Wärmeabstrahlteil (HS), wobei der Leistungstransistor (Tr) den Halbleiter-Chip (32) mit einem Drain-Bereich, der dem Wärmeabstrahlteil (HS) mit dem Isolationsteil (IF) dazwischen gegenüberliegt, aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei: der Ausgangsanschluss der Umwandlungsschaltung (IV) für elektrische Leistung, der Leistungstransistor (Tr) und der Motoranschluss des Elektromotors 18 für jede Phase des Elektromotors 18 vorgesehen sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei: der Leistungstransistor (Tr) ein Paar von Leitungstransistorelementen (Tr1, Tr2) enthält; der Ausgangsanschluss der Leistungsumwandlungsschaltung (IV), die Leistungstransistorelemente (Tr1, Tr2) und der Motoranschluss des Elektromotors (18) für jede der Phasen des Elektromotors (18) vorgesehen sind; und der Drain-Anschluss (TD) von einem des Leistungstransistorelementepaars (Tr1, Tr2) mit dem Motoranschluss des Elektromotors (18) verbunden ist und der Drain-Anschluss des jeweiligen anderen des Leistungstransistorelementpaars (Tr1, Tr2) mit dem Ausgangsanschluss der Leistungsumwandlungsschaltung (IV) verbunden ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei: der Elektromotor (18) ein dreiphasiger bürstenloser Gleichstrommotor ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei: der Elektromotor (18) dazu vorgesehen ist, den Lenkbetrieb eines elektrischen Servolenksystems zu unterstützen, welches als die fahrzeuginterne Vorrichtung vorgesehen ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei: der Leistungstransistor (Tr) eine Body-Diode (Bd) enthält, die zwischen seiner Source und seinem Drain ausgebildet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei: der Leistungstransistor (Tr) ein Paar von Leistungstransistorelementen (Tr1, Tr2) enthält; der Drain-Anschluss (TD) eines des Leistungstransistorelementpaars (Tr1, Tr2) mit dem Motoranschluss des Elektromotors 18 verbunden ist und der Drain-Anschluss (TD) des jeweiligen anderen Leistungstransistorelements des Leistungstransistorelementpaars (Tr1, Tr2) mit dem Ausgangsanschluss der Leistungsumwandlungsschaltung (IV) verbunden ist; und die Source-Anshlüsse des Leistungstransistorelementpaars (Tr1, Tr2) miteinander verbunden sind.