DE102020212748A1 - Leistungsmodul zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs mit einem Zwischenkreiskondensator - Google Patents

Leistungsmodul zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs mit einem Zwischenkreiskondensator Download PDF

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Abstract

Leistungsmodul (10) zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs, umfassend einen Stromeingang zum Einspeisen eines Eingangsstroms, wobei der Stromeingang mehrere Kontaktelemente (182, 184) aufweist; mehrere Leistungsschalter (142 144) zum Erzeugen eines Ausgangsstroms basierend auf dem eingespeisten Eingangsstrom; einen Stromausgang (192) zum Ausgeben des Ausgangsstroms an einen Verbraucher; ein Substrat (12) mit einer Metalllage (122-130) und einer mit der Metalllage (122-130) verbundenen Isolationslage (121); wobei die mehreren Leistungsschalter (142, 144) auf der Metalllage (122-130) angeordnet sind, wobei die mehreren Kontaktelemente (182, 184) ebenfalls auf der Metalllage (122-130) angeordnet sind, derart, dass sich die Kontaktelemente (182, 184) senkrecht zu einer Oberfläche des Substrats (12) erstrecken.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Leistungsmodule zum Betreiben eines Elektroantriebs für ein Fahrzeug.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Leistungsmodule, insbesondere integrierte Leistungsmodule, finden bei Kraftfahrzeugen zunehmend Anwendungen. Derartige Leistungsmodule werden bspw. in DC/AC-Wechselrichtern (Invertern) eingesetzt, die dazu dienen, 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. Die Leistungsmodule basieren auf Leistungshalbleitern, insbesondere Transistoren wie IGBTs, MOSFETs und HEMTs. Weitere Einsatzfelder sind DC/DC-Wandler und AC/DC-Gleichrichter (Converter) und Transformatoren.
  • Aus den Leistungshalbleitern werden in der Regel Leistungsschalter gebildet, die in einer Brückenschaltung verwendet werden. Ein häufiges Beispiel ist die sogenannte Halbbrücke, die eine Highside-Komponente und eine Lowside-Komponente umfasst. Die Highside- und Lowside-Komponenten umfassen jeweils einen oder mehreren Leistungsschalter, nämlich Highside-Leistungsschalter bzw. Lowside-Leistungsschalter. Durch gezieltes Schalten der Highside- und Lowside-Leistungsschalter kann die Richtung des am Ausgang des Leistungsmoduls erzeugten Stroms (Ausgangsstroms) mit einem sehr kurzen Takt zwischen einer positiven Stromrichtung und einer negativen Stromrichtung verändert werden. Dies ermöglicht eine sogenannte Pulsbreitenmodulation, um im Falle eines DC/AC-Wechselrichters einen Wechselstrom basierend auf einem eingangsseitig des Leistungsmoduls eingespeisten Gleichstroms zu erzeugen.
  • Bei all diesen Anwendungen ist es vorteilhaft, dass die Schaltzeit der verwendenten Leistungsschalter hinreichend klein ist. Dank der Fortschritte auf dem Gebiet der Leistungshalbleiter lassen sich kurze Schaltzeiten mit sogenannten Wide Bandgap Semiconductors (Halbleitern mit großen Bandlücken) wie SiC und GaN realisieren.
  • Dennoch sind die aus dem Stand der Technik bekannten Leistungsmodule mit dem Nachteil behaftet, dass in diesen die kurzen Schaltzeiten der verwendeten Halbleitermaterialien bei in der Stromleitungen des Leistungsmoduls herrschenden Streuinduktivitäten beim Ein- und Ausschalten der Leistungsschalter hohe elektrische Spannungen hervorrufen. Letztere können dazu führen, dass die Leistungsschalter bzw. die darin enthaltenen Leistungshalbleiter durchgebrannt und somit beeinträchtigt werden.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die Leistungshalbleiter besser vor einer Durchbrennung aufgrund Spannungsspitzen beim Ein- bzw. Ausschalten zu schützen, um die Leistungsfähigkeit des Leistungsmoduls zu erhöhen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls sowie ein solches Leistungsmodul und dessen Verwendung in einem Fahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
  • Das Leistungsmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs. Das Leistungsmodul wird vorzugsweise in einem DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter) eingesetzt. Insbesondere dient das Leistungsmodul zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter wird dazu verwendet, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu generieren.
  • Zum Einspeisen eines Eingangsstroms (Gleichstroms) weist das Leistungsmodul einen Stromeingang bzw. Eingangskontakt auf. Der Stromeingang umfasst in der Regel meherere Kontaktelemente. Ein Teil, insbesondere eine erste Hälfte, der Kontaktelemeente sind einem Positivpol des Stromeingangs zugeordnet, wobei ein anderer Teil, insbesondere eine zweite Hälfte, der Kontaktelemente einem Negativpol des Stromeingangs zugeordnet sind. Im Betrieb des Leistungsmoduls ist der Positivpol mit einem Positivanschluss der Batterie elektrisch leitend verbunden, wobei der Negativpol mit einem Negativanschluss der Batterie elektrisch leitend verbunden ist.
  • Das Leistungsmodul weist ferner eine Mehrzahl von Leistungsschaltern auf. Diese halbleiterbasierten Leistungsschalter dienen dazu, um basierend auf dem eingespeisten Eingangsstrom einen Ausgangsstrom mittels Ansteuerung der einzelnen Leistungsschalter zu erzeugen. Die Ansteuerung der Leistungsschalter kann auf einer sogenannten Pulsbreitenmodulation beruhen. Im Fall eines Wechselrichters handelt es sich beim Eingangsstrom um einen Gleichstrom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen Wechselstrom handelt.
  • Die mehreren Leistungsschalter bilden vorzugsweise eine Brückenschaltungsanordnung, die eine oder mehrere Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) umfassen kann. Jede Brückschaltung bzw. Halbbrücke umfasst einen oder mehrere zueinander parallelgeschaltete Highside-Schalter (HS-Schalter), und einen oder mehrere zueinander parallelgeschaltete Lowside-Schalter (LS-Schalter). Der/die HS-Schalter ist/sind zu dem/den LS-Schalter/LS-Schaltern reihengeschaltet. Im Fall eines Wechselrichters ist jede Halbbrücke einer Stromphase des mehrphasigen Wechselstroms (Ausgangsstrom) zugeordnet. Die HS-Schalter und LS-Schalter umfassen jeweils einen oder mehrere Leistungshalbleiterbauteile wie IGBT, MOSFET oder HEMT. Das dem jeweiligen Leistungshalbleiterbauteil zugrunde liegende Halbleitermaterial umfasst vorzugsweise ein sogenanntes Wide-Bandgap-Semiconductor (Halbleiter mit einer großen Bandlücke) wie Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN), kann alternativ oder zusätzlich Silizium umfassen.
  • Zwecks Spannungsglättung kann das Leistungsmodul ferner einen Zwischenkreiskondensator aufweisen, der zu den Leistungsschaltern parallelgeschaltet ist.
  • Das Leistungsmodul weist außerdem ein Substrat bzw. ein Isoliersubstrat zum Anbringen der Leistungsschalter auf. Das Isoliersubstrat weist eine erste Metalllage, eine zweite Metalllage und eine zwischen der ersten Metalllage und der zweiten Metalllage angeordnete Isolierlage auf. Hierbei handelt es vorzugsweise um ein Direct-Bonded-Copper(DCB)-Isoliersubstrat. Auf der ersten Metalllage werden die Leistungsschalter angebracht. Beispielsweise werden die Leistungsschalter per Sintern, Schweißen, Löten oder mittels einer Schraubverbindung auf der ersten Metalllage befestigt. Die mehreren Kontaktelemente des Stromeingangs sind ebenfalls auf der ersten Metalllage angeordnet, derart, dass sich die Kontaktelemente senkrecht zu einer Oberfläche der ersten Metalllage erstrecken.
  • Das Leistungsmodul weist vorzugsweise ferner einen Kühlkörper auf, der zur Abfuhr von Wärme, die im Leistungsmodul, insbesondere in den Leistungsschaltern bei hohen Eingangsströmen erzeugt wird. Vorzugsweise kann der Kühlkörper an der zweiten Metalllage des Substrats angebracht sein.
  • Erfindungsgemäß ist dadurch, dass die Kontaktelemente des Stromeingangs zusätzlich zu den Leistungsschaltern auch auf der ersten Metalllage des Substrats angeordnet sind, sodass sich die Kontaktelemente senkrecht zur Oberfläche der ersten Metalllage erstrecken, ein Leistungsmodul geschaffen, bei dem die Länge der elektrischen Leitungen zwischen den Kontaktelementen und den Leistungsschaltern kürzer sind. Damit einhergehend ist die Streuinduktivität der elektrischen Leitungen im Leitungsmodul reduziert ist. Dies reduziert die Wahrscheinlichkeit und den Betrag der Spannungsspitzen, die beim Ein- und Ausschalten der Leistunggschalter aufgrund der Streuinduktivität verursacht werden und zur Durchbrennung der Leistungsschalter führen können. Die Funktionalität des Leistungsmoduls ist dadurch verbessert. Insbesondere ist beim Einsatz von WBG-Halbleitermaterialien möglich, die kurzen Schaltzeiten dieser Materialgruppe zu nutzen, ohne dass die Leistungsschalter der Durchbrennungsgefahr wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten Leistungsmodulen ausgesetzt sind.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Ausführungsformen werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls gemäß einer Ausführungsform; und
    • 2 eine schematische Darstellung einer elektrischen Schaltung des Leistungsmoduls aus 1.
  • In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile. In den einzelnen Figuren sind die jeweils relevanten Bezugsteile gekennzeichnet.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls 10 gemäß einer Ausführungsform. Das Leistungsmodul 10 umfasst eine Mehrzahl von Leistungsschaltern 142, 144, die auf einer Metalllage 122, 124 angeordnet sind. Die Metalllage 122, 124 ist Teil eines Substrats 12, welches zusätzlich eine Isolationslage 121 umfasst, auf der die Metalllage 122, 124, 126 angeordnet ist. Die Metalllage umfasst eine erste Zone 122, in der eine erste Leistungsschaltergruppe der Leistungsschalter 142 angeordnet sind. Die Metalllage umfasst eine zweite Zone 124, in der eine zweite Leistungsschaltergruppe der Leistungsschalter 144 angeordnet sind. Die Metalllage umfasst eine dritte Zone 126. Zwischen der ersten und zweiten Zone 122, 124 ist eine vierte Zone 128 der Metalllage angeordnet, in der mehrere erste Impedanzen 162, die vorzugsweise elektrische Widerstände umfassen, angeordnet sind. Zwischen der zweiten und der dritten Zone 124, 126 ist eine fünfte Zone 130 der Metalllage angeordnet, in der mehrere zweite Impedanzen 164, die vorzugswweise elektrische Widerstände umfassen, angeordnet sind. Die Zonen 122-130 der Metalllage sind voneinadner räumlich getrennt, um eine elektrische Isolation zu ermöglichen.
  • Das Substrat 12 kann ein Direct-Bonded-Copper(DCB-)Substrat aufweisen und zusätzlich zur (ersten) Metalllage 122-130 und die Isolationslage 1 noch eine zweite Metalllage (nicht gezeigt) umfassen, die an einer der ersten Metalllage 122-130 gegenüberliegenden Seite der Isolationslage 121 angeordnet ist. Die zweite Metalllage kann an einen Kühlkörper, etwa aus Aluminium, angeschlossen werden um eine Wärmeabfuhr von den Leistungsschaltern 142, 144 sowie von weiteren Wärme-erzeugenden Komponenten (etwa einem Zwischenkreiskondensator) des Leistungsmoduls 10 zu ermöglichen.
  • Zusätzlich zur ersten Leistungsschaltergruppe sind noch zwei Kontaktelemente 182 eines Stromeingangs des Leistungsmoduls 10 in der ersten Zone 122 der Metalllage angeordnet. Vorzugsweise handelt es sich bei den Kontaktelementen 182 um einen Positvpol eines DC-Stromeingangs. Ferner sind zwei Kontaktelemente 184 des Stromeingangs des Leistungsmoduls 10 in der dritten Zone 126 der Metalllage angeordnet. Vorzugsweise handelt es sich bei den Kontaktelementen 184 um einen Negativpol des DC-Stromeingangs. In der zweiten Zone 124 ist zusätzlich zu der zweiten Leistungsschaltergruppe ein Stromausgang 192, vorzugsweise ein AC-Stromausgang, angeordnet.
  • Vorzugsweise handelt es sich bei den Leistungsschaltern 142 der ersten Leistungsschaltergruppe um Highside-Schalter, wobei es sich bei den Leistungsschaltern 144 der zweiten Leistungsschaltergruppe vorzugsweise um Lowside-Schalter handelt. In 1 sind jeweils sechs Highside-Schalter 142 und sechs Lowside-Schalter 144 gezeigt, die zusammen eine Halbbrücke bilden, die einer Stromphase des mehrphasigen Wechselstroms im Falle eines Wechselrichters zugeordnet ist.
  • Im Leistungsmodul 10 in 1 ist beispielhaft nur eine Halbbrücke gezeigt. Dies ist nicht einschränkend für die vorliegende Erfindung. Die in 1 gezeigten Komponenten können im Allgeminen ein Untermodul des Leistungsmoduls 10 bilden, wobei das Leistungsmodul 10 drei oder eine weitere Anzahl von solchen Untermodulen umfassen kann, wobei jedes Untermodul einer Stromphase des mehrphasigen Wechselstroms zugeordnet ist.
  • Die Verbindung zwischen der Metalllage und den Leistungsschaltern 142, 144, den Kontaktelementen 182, 184, den Impedanzen bzw. elektrischen Widerständen 162, 164 sowie dem Stromausgang 192 ist eine elektrische Verbindung, um eine Strom- und/oder Signalleitung zu ermöglichen.
  • Erfindungsgemäß erstrecken sich die Kontaktelemente 182, 184 im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche des Substrats 12 (in 1 aus der Zeichnungsebene herauszeigend). In dieser Weise kann stromeingangsseitig die Länge der elektrischen Leitung zwischen der positiven Elektrode der Stromquelle, etwa einer Batterie, und dem Leistungsmodul 10 reduziert werden. Außerdem kann auf eine Busbar zur stromeingangsseitigen Kontaktierung verzichtet werden. Diese Maßnahme begünstigt daher sowohl eine Verringerung der Streuinduktivität im Leistungsmodul 10, als auch eine vereinfachte Bauweise. Die Leistungsschalter 142, 144 sind dadurch weniger einer Durchbrennungsgefahr ausgesetzt, die auf an den Leistungsschaltern 142, 144 anliegende, durch die kurzen Schaltzeiten in Kombination mit der Streuinduktivität verursachte hohe Spannungsspitzen zurückzuführen ist. Die Funktionsfähigkeit des Leistungsmoduls 10 ist daher gesteigert.
  • Erfindungsgemäß sind die Kontaktelemente 182 außerdem in derselben Zone wie die erste Leistungsschaltergruppe von Leistungsschaltern 142, nämlich der ersten Zone 122 der Metalllage, angeordnet. Hierdurch ist die Länge der elektrischen Leitung zwischen den Leistungsschaltern 142 und den Kontaktelementen 182 des Stromeingangs minimiert, was die Streuinduktivität im Leistungsmodul 10 reduziert. Auch hieraus resultiert ein Leistungsmodul 10, bei dem die Leistungsschalter 142, 144 weniger einer Durchbrennungsgefahr ausgesetzt sind und damit einhergehend die Leistungsfähigkeit gesteigert ist.
  • 2 zeigt schematisch eine elektrische Schaltung betreffend einen Teil des Leistungsmoduls 1 aus 1. In der elektrischen Schaltung sind die Leistungsschalter 142 der ersten Leistungsschaltergruppe sowie die Leistungsschalter 144 der zweiten Leistungsschaltergruppe gezeigt. Die Leistungsschalter 142 sind zueinander innerhalb der ersten Leistungsschaltergruppe parallelgeschaltet. Die Leistungsschalter 144 sind ebenfalls zueinander innerhalb der zweiten Leistungsschaltergruppe parallelgeschaltet. Die erste Leistungsschaltergruppe und die zweite Leistungsschaltergruppe sind zueinander reihengeschaltet.
  • Ebenfalls in 2 gezeigt sind die beispielhaft als elektrische Widerstände ausgebildeten ersten und zweiten Impedanzen 162, 164. Die ersten Impedanzen bzw. elektrischen Widerstände 162 sind jeweils an einem ersten Ende mit einer Gate-Elektrode des jeweiligen Leistungsschalters 142 der ersten Leistungsschaltergruppe und an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende mit einer Gate-Steuereinheit 136 über einen weiteren elektrischen Widerstand 132 und einen Puffer 134 verbunden. Die zweiten Impedanzen bzw. elektrischen Widerstände 164 sind jeweils an einem ersten Ende mit einer Gate-Elektrode des jeweiligen Leistungsschalters 144 der zweiten Leistungsschaltergruppe und an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende mit einer weiteren Gate-Steuereinheit 136 über einen zusätzlichen weiteren elektrischen Widerstand 132 und einen zusätzlichen Puffer 134 verbunden. Die Gate-Steuereinheit 136 dient zur Ansteuerung der Gate-Elektroden der einzelnen Leistungsschalter 142, 144 und kann einen oder mehrere integrierte Schaltkreise umfassen. Die elektrische bzw. Signalverbindung zwischen den ersten elektrischen Widerständen 162 und den Leistungsschaltern 142 der ersten Zone 122 sowie zwischen den zweiten elektrischen Widerständen 164 und den Leistungsschaltern 144 der zweiten Zone 124 kann mittels Drahtbonden (Engl.: Wire Bonding) oder Stanzgitter (Engl.: Lead Frame) realisiert werden.
  • Durch Einsatz der Impedanzen bzw. elektrischen Widerstände 162, 164 kann die Stabilität der zwischen den Gate-Elektroden der Leistungsschalter 142, 144 und der Gate-Steuereinheit 136 kommunizierten Steuersignale erhöht werden. Dies begünstigt eine rauscharme Signalleitung für die Gate-Ansteuerung und daher eine verbesserte Leitungsfähigkeit des Leistungsmoduls 10.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Leistungsmodul
    12
    Substrat
    121
    Isolationslage
    122-130
    Metalllage
    122
    erste Zone
    124
    zweite Zone
    126
    dritte Zone
    128
    vierte Zone
    130
    fünfte Zone
    132
    Widerstand
    134
    Puffer
    136
    Gate-Steuereinheit
    142, 144
    Leistungsschalter
    162
    erste Impedanz
    164
    zweite Impedanz
    182, 184
    Stromeingang (Kontaktelement)
    192
    Stromausgang

Claims (6)

  1. Leistungsmodul (10) zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs, umfassend: - einen Stromeingang zum Einspeisen eines Eingangsstroms, wobei der Stromeingang mehrere Kontaktelemente (182, 184) aufweist; - mehrere Leistungsschalter (142 144) zum Erzeugen eines Ausgangsstroms basierend auf dem eingespeisten Eingangsstrom; - einen Stromausgang (192) zum Ausgeben des Ausgangsstroms an einen Verbraucher; - ein Substrat (12) mit einer Metalllage (122-130) und einer mit der Metalllage (122-130) verbundenen Isolationslage (121); wobei die mehreren Leistungsschalter (142, 144) auf der Metalllage (122-130) angeordnet sind, wobei die mehreren Kontaktelemente (182, 184) ebenfalls auf der Metalllage (122-130) angeordnet sind, derart, dass sich die Kontaktelemente (182, 184) senkrecht zu einer Oberfläche des Substrats (12) erstrecken.
  2. Leistungsmodul (10) nach Anspruch 1, wobei die Metalllage (122-130) mehrere voneinander beabstandete Zonen (122-130) umfasst, wobei die mehreren Leistungsschalter (142, 144) in mehreren Gruppen unterteilt sind, die jeweils einer der mehreren Zonen (122-130) der Metalllage zugeordnet sind, wobei zumindest eins der Kontaktelemente (182, 184) in einer der Zonen (122-130) angeordnet ist.
  3. Leistungsmodul (10) nach Anspruch 2, wobei der Stromausgang (192) einer der Zonen (122-130) elektrisch verbindend zugeordnet ist, in der eine der mehreren Gruppen der Leistungsschalter angeordnet ist.
  4. Leistungsmodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zwischen einer Gate-Elektrode zumindest eines der Leistungsschalter (142, 144) und einer Steuereinheit (136) zur Ansteuerung der Gate-Elektrode eine elektrische Impedanz (162, 164), insbesondere ein Ohm'scher Widerstand, geschaltet ist.
  5. Leistungsmodul (10) nach Anspruch 4, wobei mehrere Ohm'sche Widerstände (162, 164) jeweils zwischen einer von mehreren Gate-Elektroden, die jeweils einem der mehreren Leistungsschalter (142, 144) zugehörig sind, und der Steuereinheit (136) geschaltet sind.
  6. Leistungsmodul (10) nach Anspruch 5, wobei die mehreren Leistungsschalter (142, 144) einer Stromphase zugeordnet sind.
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