DE102020207709A1 - Control device for operating an electric drive for a vehicle and method for producing such a control device - Google Patents

Abstract

Steuergerät (100, 200) zum Betreiben eines Elektroantriebs für ein Fahrzeug, umfassend ein Leistungsmodul, das einen Leistungshalbleiter aufweist; einen Zwischenkreiskondensator, der zum Leistungsmodul parallelgeschaltet ist; einen Dämpferkondensator (114, 214), der zwischen dem Zwischenkreiskondensator und dem Leistungsmodul angeordnet und zum Zwischenkreiskondensator parallelgeschaltet ist; einen Kühler (130, 230) zur Abfuhr im Steuergerät (100, 200) erzeugter Wärme, wobei der Kühler (130, 230) mit dem Leistungsmodul thermisch gekoppelt ist; eine Isolierschicht (128, 228) zwischen dem Dämpferkondensator (114, 214) und dem Kühler (130, 230): wobei der Dämpferkondensator (130, 230) an zwei Endseiten (134, 234) mit dem Kühler (130, 230) thermisch gekoppelt ist.Control device (100, 200) for operating an electric drive for a vehicle, comprising a power module having a power semiconductor; an intermediate circuit capacitor which is connected in parallel to the power module; a damper capacitor (114, 214) which is arranged between the intermediate circuit capacitor and the power module and is connected in parallel to the intermediate circuit capacitor; a cooler (130, 230) for dissipating heat generated in the control device (100, 200), the cooler (130, 230) being thermally coupled to the power module; an insulating layer (128, 228) between the damper capacitor (114, 214) and the cooler (130, 230): the damper capacitor (130, 230) being thermally coupled to the cooler (130, 230) at two end faces (134, 234) is.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Steuergeräte zum Betreiben eines Elektroantriebs für ein Fahrzeug.The present invention relates to the field of electromobility, in particular the control devices for operating an electric drive for a vehicle.

TECHNISCHER HINTERGRUNDTECHNICAL BACKGROUND

Steuergeräte, insbesondere integrierte Steuergeräte, etwa DC/AC-Wechselrichter (Inverter), finden bei Kraftfahrzeugen zunehmende Anwendungen. DC/AC-Wechselrichter dienen dazu, elektrische Maschinen wie Elektromotoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Zu diesem Zweck umfassen die Steuergeräte ein oder mehrere Leistungsmodule, die Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) umfassen. Die Leistungsmodule basieren auf Leistungshalbleitern, insbesondere Transistoren wie MOSFETs und HEMTs. Diese Leistungshalbleiter werden zwecks Ansteuerung an einen Schaltungsträger, insbesondere eine Leiterplatte, angeschlossen.Control devices, in particular integrated control devices, such as DC / AC inverters (inverters), are increasingly being used in motor vehicles. DC / AC inverters are used to power electrical machines such as electric motors with a multiphase alternating current. A direct current generated from a DC energy source, such as a battery, is converted into a multiphase alternating current. For this purpose, the control devices include one or more power modules that include bridge circuits (such as half bridges). The power modules are based on power semiconductors, in particular transistors such as MOSFETs and HEMTs. These power semiconductors are connected to a circuit carrier, in particular a printed circuit board, for the purpose of control.

Um ein schnelles und leistungseffizientes Schalten des Leistungsmoduls zu ermöglichen werden sogenannte Widebandgap(WBG)-Semiconductors (d.h. Halbleiter mit großen Bandlücken) wie Siliziumcarbid oder Galliumnitrid verwendet. Auf der anderen Seite geht mit schnellem Schalten jedoch eine schnelle zeitliche Veränderung der Betriebsspannung des Leistungsmoduls einher, die Streuinduktivität der Beschaltung im Gehäuse verursacht. Dies kann zu hohen Spannungsstößen und Rufströmen zwischen den Drain- und Source-Elektroden beim Abschalten des Leistungsmoduls führen kann.So-called widebandgap (WBG) semiconductors (i.e. semiconductors with large band gaps) such as silicon carbide or gallium nitride are used to enable fast and power-efficient switching of the power module. On the other hand, however, rapid switching is accompanied by a rapid change in the operating voltage of the power module over time, which causes leakage inductance in the circuitry in the housing. This can lead to high voltage surges and ringing currents between the drain and source electrodes when the power module is switched off.

Um diesem Problem entgegenzuwirken werden Dämpferkondensatoren eingesetzt. Beispielsweise zeigt US2018145007A einen Dämpferkondensator, der an einem Leistungseingang eines Leistungsmoduls angeordnet ist. Allerdings sind die bekannten Dämpferkondensatoren derart angeordnet, dass die Wärmeabfuhr vom Dämpferkondensator nicht hinreichend wirksam ist. Insbesondere können der Dämpferkondensator und weitere elektronische Komponenten des Leistungsmoduls durch die Überhitzung beschädigt werden.Damper capacitors are used to counteract this problem. For example shows US2018145007A a damper capacitor which is arranged at a power input of a power module. However, the known damper capacitors are arranged in such a way that the heat dissipation from the damper capacitor is not sufficiently effective. In particular, the damper capacitor and other electronic components of the power module can be damaged by overheating.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Steuergerät bereitzustellen, bei dem die oben beschriebenen Nachteile zumindest teilweise überwunden sind.The invention is therefore based on the object of providing a control device in which the disadvantages described above are at least partially overcome.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Steuergerät und die Verwendung eines solchen Steuergeräts in einem Fahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen.This object is achieved by a control device and the use of such a control device in a vehicle according to the independent claims.

Das Steuergerät im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs. Das Steuergerät umfasst vorzugsweise einen DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter) oder ein Teil hiervon. Insbesondere dient das Steuergerät zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter dient vorzugsweise dazu, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu generieren.The control device in the context of this invention is used to operate an electric drive of a vehicle, in particular an electric vehicle and / or a hybrid vehicle. The control device preferably comprises a DC / AC inverter or a part thereof. In particular, the control device is used to energize an electric machine, for example an electric motor and / or a generator. A DC / AC inverter is preferably used to generate a multiphase alternating current from a direct current generated by means of a DC voltage from an energy source, for example a battery.

Das Steuergerät weist im Allgemeinen ein oder mehrere Leistungsmodule, einen Zwischenkreiskondensator und einen Kühler auf. Zusätzlich kann das Steuergerät einen Schaltungsträger aufweisen. Ein eingangsseitiger Anschluss zum Einkoppeln eines mittels einer Energiequelle erzeugten Eingangsstroms und ein ausgangsseitiger Anschluss zum Auskoppeln eines basierend auf dem Eingangsstrom erzeugten Ausgangsstroms können ebenfalls im Steuergerät angeordnet sein. Bezogen auf den Eingangsstrom kann das Leistungsmodul bzw. können die Leistungsmodule sowie der Zwischenkreiskondensator parallel zueinander geschaltet sein.The control device generally has one or more power modules, an intermediate circuit capacitor and a cooler. In addition, the control device can have a circuit carrier. An input-side connection for coupling in an input current generated by means of an energy source and an output-side connection for decoupling an output current generated based on the input current can also be arranged in the control device. In relation to the input current, the power module or the power modules and the intermediate circuit capacitor can be connected in parallel to one another.

Das jeweilige Leistungsmodul basiert auf Leistungshalbleitern, aus denen vorzugsweise eine Brückenschaltungsanordnung gebildet ist. Die Brückenschaltungsanordnung kann eine oder mehrere Brückenschaltungen umfassen, die etwa als Halbbrücken gebildet sind. Jede Halbbrücke umfasst einen Highside-Schalter (HSS) und einen zum Highside-Schalter reihengeschalteten Lowside-Schalter (LSS). Jede Halbbrücke ist einer Stromphase eines mehrphasigen Wechselstroms (Ausgangsstrom) zugeordnet.The respective power module is based on power semiconductors, from which a bridge circuit arrangement is preferably formed. The bridge circuit arrangement can comprise one or more bridge circuits which are formed, for example, as half bridges. Each half-bridge comprises a high-side switch (HSS) and a low-side switch (LSS) connected in series with the high-side switch. Each half bridge is assigned to a current phase of a multiphase alternating current (output current).

Der HSS und/oder der LSS umfasst einen oder mehrere Leistungshalbleiterbauteile wie IGBT, MOSFET oder HEMT. Das dem HSS bzw. LSS zugrunde liegende Halbleitermaterial umfasst vorzugsweise ein sogenanntes Wide-Bandgap-Semiconductor (Halbleiter mit einer großen Bandlücke) wie Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN).The HSS and / or the LSS comprises one or more power semiconductor components such as IGBT, MOSFET or HEMT. The semiconductor material on which the HSS or LSS is based preferably comprises a so-called wide-bandgap semiconductor (semiconductor with a large band gap) such as silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN).

Der Schaltungsträger weist vorzugsweise einen ersten Abschnitt zur Treiberansteuerung (d.h. zur Einstellung der Gate-Spannungen der Halbbrücken) und einen zweiten Abschnitt zur Steuerung auf. Der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt des Schaltungsträgers umfassen vorzugsweise jeweils eine Leiterplatte (etwa PCB) und bilden vorzugsweise einen kombinierten Treiber- und Steuerleiterplatte (CCDB). Alternativ kann der erste und/oder der zweite Abschnitt einen anderen Typen von Schaltungsträger (etwa mit einem zusätzliche Keramiksubstrat) aufweisen.The circuit carrier preferably has a first section for driver control (ie for setting the gate voltages of the half bridges) and a second section for control. The first section and the second section of the circuit carrier preferably each comprise a printed circuit board (such as a PCB) and form preferably a combined driver and control circuit board (CCDB). Alternatively, the first and / or the second section can have a different type of circuit carrier (for example with an additional ceramic substrate).

Zusätzlich zum Zwischenkreiskondensator weist das Steuergerät einen Dämpferkondensator (Engl.: snubber capacitor) auf. Der Dämpferkondensator ist im Gehäuse des Steuergeräts angeordnet, sodass er zum Leistungsmodul parallelgeschaltet ist.In addition to the intermediate circuit capacitor, the control unit has a snubber capacitor. The damper capacitor is arranged in the housing of the control unit so that it is connected in parallel to the power module.

Der Kühler dient dazu, die von den Leistungshalbleitern erzeugte Wärme abzuführen und so eine Überhitzung des Steuergeräts zu verhindern. Der Kühler umfasst vorzugsweise einen aus Metall, weiter vorzugsweise Aluminium, gebildeten Kühlkörper, an den die Leistungsmodule thermisch gekoppelt sind. Eine oder mehrere Wärmeleiterschichten können ebenfalls zwischen den Leistungsmodulen und dem Kühlkörper angeordnet sein, um den thermischen Widerstand zwischen den Leistungsmodulen einerseits und dem Kühler andererseits, der etwa aufgrund eines sich dazwischen bildenden Luftspalt relativ hoch ist, zu reduzieren.The cooler is used to dissipate the heat generated by the power semiconductors and thus prevent the control unit from overheating. The cooler preferably comprises a heat sink formed from metal, more preferably aluminum, to which the power modules are thermally coupled. One or more heat conducting layers can also be arranged between the power modules and the heat sink in order to reduce the thermal resistance between the power modules on the one hand and the cooler on the other hand, which is relatively high due to an air gap forming between them.

Zwischen dem Dämpferkondensator und dem Kühler ist eine Isolierschicht vorhanden, die beispielsweise eine Harzschicht aufweist. Die Isolierschicht dient dazu, den Dämpferkondensator sowie die gesamte elektrische Kontaktierung der Leistungsschalter von äußeren Einflüssen seitens des Kühlers schützen, um eine störungsfreie Ansteuerung der Leistungsschalter zu ermöglichen.There is an insulating layer between the damper capacitor and the radiator, which has, for example, a resin layer. The insulating layer serves to protect the damper capacitor as well as the entire electrical contacting of the circuit breakers from external influences on the part of the cooler in order to enable the circuit breakers to be controlled without interference.

Die Verbindung zwischen dem Leistungsmodul bzw. den Leistungsmodulen einerseits und dem Schaltungsträger andererseits und/oder die Verbindung zwischen dem Schaltungsträger einerseits und dem Kühler andererseits erfolgt vorzugsweise in Form einer Kleb-, Schraub-, Schweiß-, Steck- und/oder Klemmverbindung.The connection between the power module or modules on the one hand and the circuit carrier on the other hand and / or the connection between the circuit carrier on the one hand and the cooler on the other hand is preferably in the form of an adhesive, screw, weld, plug and / or clamp connection.

Das Steuergerät kann ein dreiphasiges System zum Umwandeln des Eingangsstroms in einen dreiphasigen Wechselstrom oder ein sechsphasiges System zum Umwandeln des Eingangsstroms in einen sechsphasigen Wechselstrom bilden.The controller may form a three-phase system for converting the input power to a three-phase alternating current or a six-phase system for converting the input power to a six-phase alternating current.

Der Dämpferkondensator ist an zumindest zwei Endseiten mit dem Kühler thermisch gekoppelt. Dies vergrößert die Fläche am Dämpferkondensator, der mit dem Kühler thermisch gekoppelt ist. Die thermische Kopplung zwischen dem Dämpferkondensator und dem Kühler ist daher verbessert. Die Wärmeabfuhr vom Dämpferkondensator an den Kühler ist effizienter.The damper capacitor is thermally coupled to the cooler on at least two end sides. This increases the area on the damper capacitor, which is thermally coupled to the cooler. The thermal coupling between the damper capacitor and the cooler is therefore improved. The heat dissipation from the damper condenser to the radiator is more efficient.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous refinements and developments are specified in the subclaims.

Gemäß einer Ausführungsform stehen die beiden Endseiten des Dämpferkondensators einander entlang einer Längsrichtung der Isolierschicht gegenüber.According to one embodiment, the two end sides of the damper capacitor face each other along a longitudinal direction of the insulating layer.

Auf diese Weise kann die vom Dämpferkondensator abzuführende Wärme entlang der Längsrichtung besonders gleichmäßig verteilt abgeführt werden. Dies Kühlung des Steuergeräts ist daher verbessert.In this way, the heat to be dissipated by the damper capacitor can be dissipated in a particularly evenly distributed manner along the longitudinal direction. This cooling of the control device is therefore improved.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Dämpferkondensator mittels eines ersten elektrischen Kontakts und eines zweiten elektrischen Kontakts mit dem Kühler thermisch gekoppelt.According to a further embodiment, the damper capacitor is thermally coupled to the cooler by means of a first electrical contact and a second electrical contact.

Der erste elektrische Kontakt ist einer ersten der beiden Endseiten des Dämpferkondensator zugeordnet. Der zweite elektrische Kontakt ist einer zweiten der beiden Endseiten des Dämpferkondensators zugeordnet. Der erste und/oder zweite elektrische Kontakt weist beispielsweise eine Kupferschicht auf. Vorzugsweise ist der Dämpferkondensator mittels einer Lötverbindung mit dem ersten bzw. zweiten elektrischen Kontakt elektrisch und mechanisch verbunden. Diese Kontaktierungsart ist kostengünstig und bietet ein hohes Maß an Robustheit.The first electrical contact is assigned to a first of the two end sides of the damper capacitor. The second electrical contact is assigned to a second of the two end sides of the damper capacitor. The first and / or second electrical contact has, for example, a copper layer. The damper capacitor is preferably electrically and mechanically connected to the first or second electrical contact by means of a soldered connection. This type of contact is inexpensive and offers a high degree of robustness.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind der erste elektrische Kontakt und der zweite elektrische Kontakt in einer Längsrichtung der Isolierschicht voneinander beabstandet angeordnet, um eine Lücke zu bilden.According to a further embodiment, the first electrical contact and the second electrical contact are arranged at a distance from one another in a longitudinal direction of the insulating layer in order to form a gap.

Der Dämpferkondensator kann eine Länge aufweisen, die größer ist als die Länge der Lücke. Somit liegt der Dämpferkondensator auf dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontakt auf.The snubber capacitor can have a length that is greater than the length of the gap. Thus, the damper capacitor rests on the first and the second electrical contact.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Dämpferkondensator eine Länge auf, die kleiner ist als die Länge der Lücke.According to a further embodiment, the damper capacitor has a length that is smaller than the length of the gap.

Auf diese Weise kann der Dämpferkondensator durch die Lücke aufgenommen werden, sodass das gesamte Steuergerät eine geringere Bauhöhe hat. Eine kompaktere Bauform ist dadurch ermöglicht.In this way, the damper capacitor can be accommodated through the gap, so that the entire control unit has a lower overall height. This enables a more compact design.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Dämpferkondensator auf einer der Isolierschicht zugewandten Seite mittels einer Schmierschicht an der Isolierschicht befestigt.According to a further embodiment, the damper capacitor is attached to the insulating layer on a side facing the insulating layer by means of a lubricating layer.

Die Schmierschicht stellt einen direkten Kontakt des Dämpferkondensators mit der Isolierschicht bereit. Dadurch, dass die Isolierschicht wiederum direkt am Kühler haftet, kann der Dämpferkondensator zusätzlich zu den in der Längsrichtung einander gegenüberstehenden Endseiten an einer dritten Seite, insbesondere einer Unterseite, mit dem Kühler thermisch gekoppelt werden. Die Wärmeabfuhr vom Dämpferkondensator ist daher weiter verbessert.The lubricating layer provides direct contact between the damper capacitor and the insulating layer. Because the insulating layer in turn adheres directly to the cooler, the damper capacitor can, in addition to the end faces opposite one another in the longitudinal direction, on a third Side, in particular an underside, are thermally coupled to the cooler. The heat dissipation from the damper capacitor is therefore further improved.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind mehrere Dämpferkondensatoren auf der der Isolierschicht zugewandten Seite jeweils mittels einer Schmierschicht an der Isolierschicht befestigt.According to a further embodiment, a plurality of damper capacitors are fastened to the insulating layer on the side facing the insulating layer in each case by means of a lubricating layer.

Die mehreren Dämpferkondensatoren bilden vorzugsweise ein Array. Die mehreren Dämpferkondensatoren können eine einzige Schmierschicht teilen. Alternativ ist zumindest zwei Dämpferkondensatoren, vorzugsweise allen Dämpferkondensatoren, jeweils eine eigene Schmierschicht zugeordnet. Diese Maßnahme ermöglicht ein bauraumoptimiertes Leistungsmodul mit erhöhter thermischer Leitfähigkeit und gleichzeitig verbesserter Rauschreduzierung.The plurality of damper capacitors preferably form an array. The multiple snubber capacitors can share a single layer of lubrication. Alternatively, at least two damper capacitors, preferably all damper capacitors, each have their own lubricating layer. This measure enables a space-optimized power module with increased thermal conductivity and, at the same time, improved noise reduction.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen der erste und der zweite elektrische Kontakt die gleiche Dicke auf.According to a further embodiment, the first and the second electrical contact have the same thickness.

Auf diese Weise kann der Dämpferkondensator im Wesentlichen waagerecht auf den elektrischen Kontakten aufliegen.In this way, the damper capacitor can rest essentially horizontally on the electrical contacts.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt die Dicke des ersten und/oder zweiten elektrischen Kontakts zumindest 1 Millimeter.According to a further embodiment, the thickness of the first and / or second electrical contact is at least 1 millimeter.

Diese Maßnahme verbessert die Wärmeabfuhr an den beiden Endseiten. Die Gesamtwärmeabfuhr des Steuergeräts ist dadurch verbessert.This measure improves the heat dissipation on the two end sides. This improves the overall heat dissipation of the control unit.

Ausführungsformen werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

• 1 eine schematische Darstellung eines Steuergeräts gemäß einer Ausführungsform;
• 2 eine schematische Darstellung eines Steuergeräts gemäß einer weiteren Ausführung in einer Seitenansicht.

Embodiments will now be described by way of example and with reference to the accompanying drawings. Show it:

• 1 a schematic representation of a control device according to an embodiment;
• 2 a schematic representation of a control device according to a further embodiment in a side view.

In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile. In den einzelnen Figuren sind die jeweils relevanten Bezugsteile gekennzeichnet.In the figures, the same reference symbols relate to the same or functionally similar reference parts. The relevant reference parts are identified in the individual figures.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Steuergeräts 100 gemäß einer Ausführung. Das Steuergerät 100 ist vorzugsweise ein Wechselrichter bzw. Inverter. Gezeigt ist ein Abschnitt des Steuergeräts 100, der einen Dämpferkondensator 114, einen ersten elektrischen Kontakt 122, einen zweiten elektrischen Kontakt 124, eine Isolierschicht 128, einen Kühler 130 sowie eine Stromsammelschiene 120 umfasst. 1 shows a schematic representation of a control device 100 according to one embodiment. The control unit 100 is preferably an inverter. A section of the control device is shown 100 holding a damper capacitor 114 , a first electrical contact 122 , a second electrical contact 124 , an insulating layer 128 , a cooler 130 as well as a busbar 120 includes.

Nicht gezeigt, jedoch ebenfalls im Steuergerät 100 enthalten sind ein Zwischenkreiskondensator, der an einer Eingangsseite des Steuergeräts 100 zum Einspeisen einer Eingangsspannung (vorzugsweise einer DC-Spannung einer Batterie) angeordnet ist, sowie eine Brückenschaltung, die zumindest zwei Leistungsschalter aufweist. Die Brückenschaltung dient im Fall eines Wechselrichters dazu, die eingespeiste Eingangsspannung in eine mehrphasige Wechselspannung umzuwandeln. An einer Ausgangsseite des Steuergeräts 100 kann dadurch die mehrphasige Wechselspannung entnommen werden. Es kann bei der Brückenschaltung um eine Halbbrücke handeln. Jede Brückenschaltung ist vorzugsweise einer Phase der mehrphasigen Wechselspannung (bzw. einer Stromphase eines auf der Wechselspannung basierenden mehrphasigen Wechselstroms) zugeordnet werden.Not shown, but also in the control unit 100 Included are a DC link capacitor on one input side of the control unit 100 for feeding in an input voltage (preferably a DC voltage of a battery) is arranged, as well as a bridge circuit which has at least two power switches. In the case of an inverter, the bridge circuit is used to convert the fed-in input voltage into a multiphase alternating voltage. On one output side of the control unit 100 the multiphase alternating voltage can thereby be taken. The bridge circuit can be a half bridge. Each bridge circuit is preferably assigned to a phase of the multiphase alternating voltage (or a current phase of a multiphase alternating current based on the alternating voltage).

Die Brückenschaltung bildet somit ein Leistungsmodul. Bei einem Wechselrichter, der eine DC-Spannung in eine dreiphasige AC-Spannung umwandelt, sind drei solcher Leistungsmodule integriert.The bridge circuit thus forms a power module. In an inverter that converts a DC voltage into a three-phase AC voltage, three such power modules are integrated.

Der Zwischenkreiskondensator ist zur Brückenschaltung parallelgeschaltet. Zusätzlich ist der Dämpferkondensator 114, der im Gehäuse des Steuergeräts 100 angeordnet ist, ebenfalls zur Brückenschaltung parallelgeschaltet. Der Dämpferkondensator 114 dient dazu, Fluktuationen in der Drain-Source-Spannung, die in den Leistungsschaltern anliegen und auf Streukapazitäten zurückzuführen sind, zu reduzieren. Die Streukapazitäten sind wiederum mit dem schnellen Schalten bzw. kurzer Schaltzeit, was mit dem Einsatz von WBG-Halbleitern wie SiC oder GaN einhergeht, assoziiert. Die dabei auftretende schnelle zeitliche Veränderung der Drain-Source-Spannung koppelt an die Induktivität des Wechselrichtergehäuses und der umliegenden Beschaltung, was beim Abschalten der Leistungsschalter zu einem starken Rauschen zwischen der Drain- und der Source-Elektrode führt. Mit Hilfe des Dämpferkondensators 114 werden diese Rauschsignale geglättert sodass ein gleichmäßigerer zeitlicher Verlauf der Drain-Source-Spannung beim Schalten der Leistungsschalter ermöglicht wird.The intermediate circuit capacitor is connected in parallel to the bridge circuit. In addition, there is the damper capacitor 114 , which is in the housing of the control unit 100 is arranged, also connected in parallel to the bridge circuit. The damper capacitor 114 serves to reduce fluctuations in the drain-source voltage, which are present in the circuit breakers and which can be traced back to stray capacitances. The stray capacitances are in turn associated with the fast switching or short switching time, which is associated with the use of WBG semiconductors such as SiC or GaN. The rapid change in the drain-source voltage over time is coupled to the inductance of the inverter housing and the surrounding circuitry, which leads to strong noise between the drain and source electrodes when the power switch is switched off. With the help of the damper capacitor 114 these noise signals are smoothed so that a more uniform time profile of the drain-source voltage when switching the power switch is made possible.

Der Dämpferkondensator 114 ist an zwei entlang einer Längsrichtung (mit Pfeil angedeutet) einander gegenüberstehenden Endseiten 134 jeweils mittels einer Lötverbindung 112 mit einem ersten bzw. zweiten elektrischen Kontakt 122, 124 verbunden. Der erste und zweite elektrische Kontakt 122, 124 dienen als Drain- und Source-Elektrode für die im Leistungsmodul enthaltenen Leistungsschalter, insbesondere für die diese umfassenden Halbbrücken. Der erste elektrische Kontakt 122 kann beispielsweise mit einem positiven/negativen Pol des Stromeingangs des Leistungsmoduls verbunden sein, wobei der zweite elektrische Kontakt 124 entsprechend mit Gegenpol, nämlich einem negativen/positiven Pol, des Stromeingangs verbunden ist. Der erste und/oder zweite elektrische Kontakt 122, 124 weist vorzugsweise eine Kupferschicht auf. Die beiden elektrischen Kontakte 122, 124 sind in der Längsrichtung voneinander beabstandet und bilden eine Lücke 126. Die Länge der Lücke 126 ist kleiner als die Länge des Dämpferkondensators 114 sodass der Dämpferkondensator 114 endseitig auf den beiden elektrischen Kontakten 122, 124 aufliegt.The damper capacitor 114 is on two opposite end sides along a longitudinal direction (indicated by an arrow) 134 each by means of a soldered connection 112 with a first or second electrical contact 122 , 124 connected. The first and second electrical contact 122 , 124 serve as drain and source electrodes for the power switches contained in the power module, in particular for the half-bridges that encompass them. The first electrical contact 122 can for example be connected to a positive / negative pole of the power input of the power module, the second electrical contact 124 accordingly with Opposite pole, namely a negative / positive pole, of the current input is connected. The first and / or second electrical contact 122 , 124 preferably has a copper layer. The two electrical contacts 122 , 124 are spaced from each other in the longitudinal direction and form a gap 126 . The length of the gap 126 is smaller than the length of the damper capacitor 114 so the damper capacitor 114 end on the two electrical contacts 122 , 124 rests.

Oberseitig eines ersten elektrischen Kontakts 124 (in 1 rechts) ist eine Stromsammelschiene 120 zur Ansteuerung der Leistungsschalter mittels einer weiteren Lötverbindung 116 am ersten elektrischen Kontakt 124 befestigt. Die Stromsammelschiene 120 umfasst beispielsweise eine Busbar mit einer Mehrzahl von Strom- und/oder Spannungsanschlüssen, über die bspw. Gate-Spannungen an den Leistungsschaltern angelegt werden können.Top of a first electrical contact 124 (in 1 right) is a busbar 120 to control the circuit breaker by means of a further soldered connection 116 at the first electrical contact 124 attached. The busbar 120 includes, for example, a busbar with a plurality of current and / or voltage connections, via which gate voltages can be applied to the circuit breakers, for example.

Die Isolierschicht 128 umfasst vorzugsweise eine Harzschicht und dient zur Abschirmung von äußeren Einflüssen seitens des Kühlers 130 und der umliegenden elektrischen Komponenten auf das Leistungsmodul. Wie in 1 schematisch gezeigt erstreckt sich die Isolierschicht 128 in der Längsrichtung. Die Isolierschicht 128 befindet sich im direkten Kontakt sowohl mit dem Kühler 130 als auch mit den beiden elektrischen Kontakten 122, 124. Hierdurch ist eine wirksame thermische Kopplung zwischen dem Dämpferkondensator 114 und dem Kühler 130 über die elektrischen Kontakte 122, 124 sowie die Isolierschicht 128 ermöglicht.The insulating layer 128 preferably comprises a resin layer and serves to shield against external influences on the part of the cooler 130 and the surrounding electrical components on the power module. As in 1 shown schematically extends the insulating layer 128 in the longitudinal direction. The insulating layer 128 is in direct contact with both the cooler 130 as well as with the two electrical contacts 122 , 124 . This creates an effective thermal coupling between the damper capacitor 114 and the cooler 130 via the electrical contacts 122 , 124 as well as the insulating layer 128 enables.

Ferner weist der Kühler 130 eine Pin-Fin-Struktur 132 auf, mittels derer die Kontaktfläche am Kühler 130 mit einem Kühlmedium (etwa Wasser), welches in durch die Pin-Fin-Struktur 132 definierten Zwischenräumen fließt, wesentlich vergrößert wird. Dies erhöht die Kühlwirkung zusätzlich.Furthermore, the cooler 130 a pin-fin structure 132 by means of which the contact surface on the cooler 130 with a cooling medium (such as water) which flows in through the pin-fin structure 132 defined interstices flows, is increased significantly. This additionally increases the cooling effect.

In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Lücke 126 zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontakt 122, 124 unbesetzt. Dahingegen ist in der in 2 gezeigten Ausführungsform das Steuergerät 200 derart ausgestaltet, dass die Länge des Dämpferkondensators 214 größer ist als die Länge der Lücke 226. Der Dämpferkondensator 214 ist unterseitig mit einer Schmierschicht 227 versehen und über diese mit der Isolierschicht 228 verbunden. Auf diese Weise liegt der Dämpferkondensator 214 nicht, wie bei der Ausführungsform aus 1 der Fall ist, auf den beiden elektrischen Kontakten 222, 224 auf. Vielmehr liegt der Dämpferkondensator 214 mit der Schmierschicht 227 zusammen auf der Isolierschicht 228 auf. Hierdurch ist der Dämpferkondensator 214 nicht nur an den Endseiten 234, sondern auch an seiner Unterseite 236 mit dem Kühler 230 thermisch gekoppelt. Dies vergrößert die Fläche am Dämpferkondensator 214, die zur thermischen Kopplung mit dem Kühler 230 verfügbar ist. Die Wärmeabfuhr vom Dämpferkondensator 214 und somit vom gesamten Steuergerät 200 wird dadurch verbessert.In the in 1 embodiment shown is the gap 126 between the first and second electrical contacts 122 , 124 vacant. In contrast, the in 2 embodiment shown the control unit 200 designed such that the length of the damper capacitor 214 is greater than the length of the gap 226 . The damper capacitor 214 is on the underside with a smear layer 227 provided and over this with the insulating layer 228 connected. This is how the damper capacitor lies 214 not like the embodiment 1 is the case on the two electrical contacts 222 , 224 on. Rather, it is the damper capacitor 214 with the smear layer 227 together on the insulating layer 228 on. This is the damper capacitor 214 not just on the end pages 234 but also at its bottom 236 with the cooler 230 thermally coupled. This increases the area on the damper capacitor 214 that are used for thermal coupling with the cooler 230 is available. The heat dissipation from the damper capacitor 214 and thus from the entire control unit 200 is thereby improved.

Der erste und zweite elektrische Kontakt 122, 124, 222, 224 können in der jeweiligen Ausführungsform mit gleicher Dicke ausgebildet sein. Die Dicke beträgt vorzugsweise zumindest 1 mm. Dies stellt eine hinreichende thermische Kopplung sicher. Außerdem kann der Ohm'sche Widerstand an den elektrischen Kontakten 122, 124, 222, 224 auf diese Weise und somit die Wärmeleistung des Steuergeräts 100, 200 reduziert werden.The first and second electrical contact 122 , 124 , 222 , 224 can be designed with the same thickness in the respective embodiment. The thickness is preferably at least 1 mm. This ensures a sufficient thermal coupling. In addition, the ohmic resistance at the electrical contacts 122 , 124 , 222 , 224 in this way and thus the thermal output of the control unit 100 , 200 be reduced.

Bis auf die obigen Unterschiede gelten die in Bezug auf in 1 gezeigte Ausführungsform beschriebenen Eigenschaften entsprechend für die in 2 gezeigte Ausführungsform.Except for the differences above, those relating to in 1 The embodiment shown corresponds to the properties described for the in 2 embodiment shown.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

100100

SteuergerätControl unit

112, 116112, 116

LötverbindungSolder connection

114114

DämpferkondensatorDamper capacitor

118118

Epoxy-SchichtEpoxy layer

120120

StromsammelschieneBusbar

122, 124122, 124

erster, zweiter elektrischer Kontaktfirst, second electrical contact

126126

Lückegap

128128

IsolierschichtInsulating layer

130130

Kühlercooler

132132

Pin-Fin-StrukturPin-fin structure

134134

EndseitenEnd pages

200200

SteuergerätControl unit

212, 216212, 216

LötverbindungSolder connection

214214

DämpferkondensatorDamper capacitor

218218

Epoxy-SchichtEpoxy layer

220220

StromsammelschieneBusbar

222, 224222, 224

erster, zweiter elektrischer Kontaktfirst, second electrical contact

226226

Lückegap

227227

SchmierschichtSmear layer

228228

IsolierschichtInsulating layer

230230

Kühlercooler

232232

Pin-Fin-StrukturPin-fin structure

234234

EndseitenEnd pages

236236

Unterseitebottom

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

• US 2018145007 A [0004]US 2018145007 A [0004]

Claims (10)

Steuergerät (100, 200) zum Betreiben eines Elektroantriebs für ein Fahrzeug, umfassend: - ein Leistungsmodul, das einen Leistungshalbleiter aufweist; - einen Zwischenkreiskondensator, der zum Leistungsmodul parallelgeschaltet ist; - einen Dämpferkondensator (114, 214), der zwischen dem Zwischenkreiskondensator und dem Leistungsmodul angeordnet und zum Zwischenkreiskondensator parallelgeschaltet ist; - einen Kühler (130, 230) zur Abfuhr im Steuergerät (100, 200) erzeugter Wärme, wobei der Kühler (130, 230) mit dem Leistungsmodul thermisch gekoppelt ist; - eine Isolierschicht (128, 228) zwischen dem Dämpferkondensator (114, 214) und dem Kühler (130, 230); wobei der Dämpferkondensator (130, 230) an zwei Endseiten (134, 234) mit dem Kühler (130, 230) thermisch gekoppelt ist.Control device (100, 200) for operating an electric drive for a vehicle, comprising: - A power module having a power semiconductor; - An intermediate circuit capacitor which is connected in parallel to the power module; - A damper capacitor (114, 214) which is arranged between the intermediate circuit capacitor and the power module and is connected in parallel to the intermediate circuit capacitor; - A cooler (130, 230) for dissipating heat generated in the control device (100, 200), the cooler (130, 230) being thermally coupled to the power module; - An insulating layer (128, 228) between the damper capacitor (114, 214) and the cooler (130, 230); wherein the damper capacitor (130, 230) is thermally coupled to the cooler (130, 230) at two end sides (134, 234). Steuergerät (100, 200) nach Anspruch 1, wobei die beiden Endseiten (134, 234) des Dämpferkondensators (130, 230) einander entlang einer Längsrichtung der Isolierschicht (128, 228) gegenüberstehen.Control unit (100, 200) Claim 1 wherein the two end sides (134, 234) of the damper capacitor (130, 230) face each other along a longitudinal direction of the insulating layer (128, 228). Steuergerät (100, 200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Dämpferkondensator (114, 214) mittels eines ersten elektrischen Kontakts (122, 222) und eines zweiten elektrischen Kontakts (124, 224) mit dem Kühler (130, 230) thermisch gekoppelt ist.Control unit (100, 200) Claim 1 or 2 wherein the damper capacitor (114, 214) is thermally coupled to the cooler (130, 230) by means of a first electrical contact (122, 222) and a second electrical contact (124, 224). Steuergerät (100, 200) nach Anspruch 3, wobei der erste elektrische Kontakt (122, 222) und der zweite elektrische Kontakt (124, 224) in einer Längsrichtung der Isolierschicht (128, 228) voneinander beabstandet angeordnet sind, um eine Lücke (126, 226) zu bilden.Control unit (100, 200) Claim 3 wherein the first electrical contact (122, 222) and the second electrical contact (124, 224) are spaced apart from one another in a longitudinal direction of the insulating layer (128, 228) to form a gap (126, 226). Steuergerät (200) nach Anspruch 4, wobei der Dämpferkondensator (214) eine Länge aufweist, die kleiner ist als die Länge der Lücke (226).Control unit (200) Claim 4 wherein the snubber capacitor (214) has a length that is less than the length of the gap (226). Steuergerät (200) nach Anspruch 5, wobei der Dämpferkondensator (214) auf einer der Isolierschicht (228) zugewandten Seite mittels einer Schmierschicht (227) an der Isolierschicht (228) befestigt ist.Control unit (200) Claim 5 wherein the damper capacitor (214) is attached to the insulating layer (228) on a side facing the insulating layer (228) by means of a lubricating layer (227). Steuergerät (200) nach Anspruch 6, wobei mehrere Dämpferkondensatoren (214) auf der der Isolierschicht (228) zugewandten Seite jeweils mittels einer Schmierschicht (227) an der Isolierschicht (228) befestigt sind.Control unit (200) Claim 6 wherein a plurality of damper capacitors (214) are attached to the insulating layer (228) on the side facing the insulating layer (228) in each case by means of a lubricating layer (227). Steuergerät (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei der erste und der zweite elektrische Kontakt (122, 124, 222, 224) die gleiche Dicke aufweisen.Control unit (10) according to one of the Claims 3 until 7th wherein the first and second electrical contacts (122, 124, 222, 224) have the same thickness. Steuergerät (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei die Dicke des ersten und/oder zweiten elektrischen Kontakts (122, 124, 222, 224) zumindest 300 Mikrometer, vorzugsweise zumindest 500 Mikrometer, weiter vorzugsweise zumindest 800 Mikrometer beträgt.Control unit (10) according to one of the Claims 3 until 8th , wherein the thickness of the first and / or second electrical contact (122, 124, 222, 224) is at least 300 micrometers, preferably at least 500 micrometers, more preferably at least 800 micrometers. Verwendung des Steuergeräts (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche in einem Fahrzeug, insbesondere einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug.Use of the control device (10) according to one of the preceding claims in a vehicle, in particular an electric vehicle and / or a hybrid vehicle.

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