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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Leistungshalbleitermodul mit einem zumindest teilweise eingehausten Schaltkreis aufweisend wenigstens einen Kondensator. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät für einen Antriebsstrang für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, einen Antriebsstrang für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug sowie ein elektrisch antreibbares Fahrzeug.
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Das Ausbilden von Steuergeräten für elektrisch antreibbare Fahrzeuge ist weithin bekannt. Leiterplatten beziehungsweise Steuergeräte beispielsweise im Automotivebereich für Anwendungen mit einem 48V-Inverter werden bisher mit Grundplatte und Gehäuse ausgeführt. Höher Integrierte Applikationen nutzen die sogenannte „Embedded“-Technologie. Bei der Embedded Technologie kommen speziell für diese Art von Aufbautechnik hergestellte Bare Die Mosfet zum Einsatz. Es gibt auch Anwendungen welche als Schaltungsträger ein „Isolated metal substrat“ verwenden mit gehausten Bauteilen. Ein Zusätzlicher Aufwand was die Substratgröße betrifft ist die Anordnung der benötigten Kapazitäten, insbesondere von Elektrolytkondensatoren.
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DE 42 44 721 A1 beschreibt eine elektrische Maschine, deren Wicklungen an steuerbare Halbleiter-Ventile, insbesondere in Form von Leistungstransistoren angeschlossen sind. Die Wicklungen stehen in Wärmetauschkontakt mit einer Fluid-Kühlanordnung, in deren zu einer Baueinheit mit den Wicklungen vereinigten Kühlfluidkanal die Kühlanordnung eine Zwangsströmung eines Kühlfluids, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, erzeugt. Die Halbleiterventile sind ebenfalls Bestandteil der Baueinheit und stehen mit dem Kühlfluid in dem Kühlfluidkanal gleichfalls in Wärmetauschkontakt.
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Derartige Lösungen können jedoch noch weiter verbessert werden, insbesondere hinsichtlich einer kostengünstigen und einfachen Herstellung und/oder hinsichtlich der möglichen Reduzierung von räumlichen Einschränkungen bei gleichzeitig guter Kühlung.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, mit dessen Hilfe ein Leistungshalbleitermodul hinsichtlich der Herstellbarkeit und/oder hinsichtlich des Aufbaus mit guter Kühlung und entsprechend guten Leistungsdaten verbessert werden kann.
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Die Lösung der vorliegenden Erfindung erfolgt durch ein Leistungshalbleitermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Lösung der Aufgabe erfolgt ferner durch einen Antriebsstrang mit den Merkmalen des Anspruchs 13, durch ein Steuergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 14 sowie durch ein elektrisch antreibbares Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren beschrieben, wobei weitere in den Unteransprüchen oder in der Beschreibung oder den Figuren beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Leistungshalbleitermodul, aufweisend ein Substrat, auf welchem ein elektrischer Schaltkreis angeordnet ist, wobei der elektrische Schaltkreis wenigstens ein Leistungs-Halbleiterbauelement aufweist, wobei das Leistungshalbleitermodul einen Leiterrahmen mit einer DC+ Sammelschiene und einer DC- Sammelschiene zum externen Kontaktieren des Leistungshalbleitermoduls umfasst, wobei der elektrische Schaltkreis ferner wenigstens einen Kondensator aufweist, und wobei das Leistungshalbleitermodul durch ein Einhausungsmaterial zumindest teilweise eingehaust ist, wobei der wenigstens eine Kondensator auf den Sammelschienen befestigt ist und in thermischem Kontakt im Sinne einer Wärmekonduktion mit einer durch das Substrat verlaufenden Wärmeabführung ist.
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Ein derartiges Leistungshalbleitermodul kann gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik deutliche Vorteile aufweisen, insbesondere hinsichtlich der Herstellbarkeit und/oder hinsichtlich des Aufbaus mit guter Kühlung und entsprechend guten Leistungsdaten.
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Beschrieben wird ein Leistungshalbleitermodul. Unter einem Leistungshalbleitermodul kann insbesondere ein solches verstanden werden, das gemäß einer an sich für den Fachmann bekannten Definition wenigstens ein Halbleiterbauelement aufweist, das für das Steuern und/oder Schalten hoher elektrischer Ströme und Spannungen ausgelegt ist. Unter hohen Strömen und Spannungen sind dabei insbesondere Ströme mit mehr als 1 Ampere und Spannungen von mehr als etwa 24 Volt zu verstehen. Insbesondere kann das hier beschriebene Leistungshalbeitermodul dem Steuern eines Elektromotors dienen, wie dies später in größerem Detail beschrieben ist.
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Das Leistungshalbleitermodul weist ein Substrat auf, auf welchem ein elektrischer Schaltkreis angeordnet ist. Hierzu weist das Substrat insbesondere eine elektrisch isolierende Grundstruktur auf, auf der der Schaltkreis positioniert und entsprechend verschaltet ist. Beispielsweise ist das Substrat eine an sich bekannte Leiterplatte, die etwa aus FR4 ausgestaltet ist. In an sich bekannter Weise ist FR4 eine Klasse von schwer entflammbaren und flammenhemmenden Verbundwerkstoffen, umfassend Epoxidharz und Glasfasergewebe. Das Substrat kann beispielsweise elektrische Leiterbahnen aufweisen und/oder gegebenenfalls mit Metallisierungen versehen sein.
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Die spezifische Positionierung und Verschaltung des elektrischen Schaltkreises können in für den Fachmann ohne weiteres bekannter Weise unter Beachtung der gewünschten Anwendung realisiert werden.
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Der elektrische Schaltkreis weist wenigstens ein Leistungs-Halbleiterbauelement, bevorzugt eine Mehrzahl an Leistungs-Halbleiterbauelementen, auf, welches wiederum entsprechend der gewünschten Anwendung gewählt ist. Beispielsweise kann ein Inverter ausgebildet werden, wozu das oder die Bauelemente etwa Leistungstransistoren, wie etwa aus der Gruppe umfassend Bipolartransistoren, MOSFET und/oder IGBT umfassen können. Bevorzugt umfasst wenigstens ein Leistungs-Halbleiterbauelement ein MOSFET.
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Das Leistungshalbleitermodul umfasst einen Leiterrahmen mit einer DC+ Sammelschiene und einer DC- Sammelschiene zum externen Kontaktieren des Leistungshalbleitermoduls. Derartige Sammelschienen können auch als Leadframe beziehungsweise Busbar bezeichnet werden und neben dem DC+ Busbar und dem DC- Busbar, welche der Kontaktierung mit einer Spannungsquelle beziehungsweise Batterie dienen, noch einen weiteren Busbar beziehungsweise eine weitere Sammelschiene zur Anbindung an einen 3-Phasen Motor aufweisen.
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Beispielsweise können die Sammelschienen als sogenannte Press-fit Verbindungen ausgestaltet sein.
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Darüber hinaus weist der Schaltkreis wenigstens einen Kondensator, insbesondere eine Mehrzahl an Kondensatoren, auf. Diese können beispielsweise als Elektrolytkondensatoren ausgebildet sein. Ferner können weitere aktive oder passive Bauteile, wie etwa Widerstände, vorhanden sein, ohne gesondert darauf hinzuweisen.
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Bei dem hier beschriebenen Leistungs-Halbleitermodul ist es hinsichtlich der Positionierung des wenigstens einen Kondensators ferner vorgesehen, dass der Kondensator oder die Kondensatoren auf den Sammelschienen befestigt ist und in thermischem Kontakt im Sinne einer Wärmekonduktion mit einer durch das Substrat verlaufenden Wärmeabführung ist.
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Insbesondere diese Ausgestaltung erlaubt eine raumsparende Anordnung und dabei ein effizientes Kühlkonzept.
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Somit ist der wenigstens ein Kondensator sowohl auf der DC+ Sammelschiene als auch auf der DC- Sammelschiene befestigt. Dadurch braucht kein weiterer Raumbedarf für die Kondensatoren auf dem Substrat beziehungsweise auf der Leiterplatte freigehalten zu werden. Geringe Raumerfordernisse können so eingehalten werden und es kann Bauraum eingespart werden insbesondere im Gegensatz zu einer Ausgestaltung, bei der die Kondensatoren in üblicher Weise neben den Sammelschienen auf dem Substrat angeordnet sind.
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Um dennoch eine effiziente Kühlung zu ermöglichen sind die Kondensatoren in thermischem Kontakt im Sinne einer Wärmekonduktion mit einer durch das Substrat verlaufenden Wärmeabführung positioniert. Unter einer Wärmeabführung kann dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere verstanden werden ein Bereich, welcher eine höhere thermische Leitfähigkeit aufweist, als das Material des Substrats. Somit kann durch die Wärmeabführung auf effiziente Weise eine Kühlung der Kapazitäten beziehungsweise der Kondensatoren erfolgen.
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Dadurch wird es erreicht, dass auf der Oberseite des Substrats kein Platz für eine Kühlung unmittelbar an den Kondensatoren freigehalten werden braucht. Im Gegensatz dazu kann es ermöglicht werden, dass bei einem Betrieb auftretende Wärme durch das Substrat auf die Unterseite abgeführt wird. Da auf der Unterseite des Substrats meist keine aktiven Bauteile vorhanden sind, kann die Kühlung hier problemlos vorgesehen sein. Dies kann weiterhin vorteilhaft sein, wenn das Modul durch ein Einhausungsmaterial zumindest zum Teil eingehaust ist, da bei einer unterseitigen Kühlung hierauf keine Rücksicht genommen werden braucht, wie dies nachfolgend in größerem Detail beschrieben ist.
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Somit kann durch diese Ausgestaltung eine effektive Kühlung bei gleichzeitig reduzierter Raumerfordernis ermöglicht werden. Darüber hinaus kann es so auf besonders einfache Weise möglich sein, eine entsprechende Kühlung sowohl für Kondensatoren, als auch für vorhandene Leistungshalbleiter-Bauelemente zu verwenden, wie dies nachstehend in größerem Detail beschrieben ist.
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Dies ist beispielsweise möglich, indem ein Kühlelement, beispielsweise unterhalb des Substrats, vorgesehen ist, welches die Kondensatoren und die Leistungshalbleiter-Bauelemente, etwa unter Zuhilfenahme weiterer Elemente, wie etwa Wärmeabführungen beziehungsweise weiteren Bohrungen mit thermisch leitendem Material, thermisch verbindet.
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Hinsichtlich der Leistungsdaten kann der Schaltkreis somit derart ausgelegt werden, dass er unter Betriebsbedingungen eine größere Wärmemenge produziert. Diese kann durch ein sehr effektives Entwärmungskonzept der vorliegenden Erfindung dennoch gut abgeführt werden.
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Insbesondere kann eine verbesserte Kühlung sich ferner positiv auf die Lebensdauer auswirken, so dass die Gesamtlebensdauer verbessert werden kann. Darüber hinaus kann die Störanfälligkeit reduziert werden, was einen Gewinn an Verlässlichkeit erlauben kann.
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Bei dem hier beschriebenen Leistungs-Halbleitermodul ist es ferner vorgesehen, das Leistungshalbleitermodul durch ein Einhausungsmaterial zumindest teilweise eingehaust ist.
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Beispielsweise kann das Einhausungsmaterial eine Vergussmasse sein oder ein anderes Material, welches unmittelbar auf zumindest einen Teil des elektrischen Schaltkreises aufgebracht wird und dort beispielsweise härten kann, oder auch ein keramisches Material. Bevorzugt ist das Einhausungsmaterial jedoch ein Polymer. Ein Einhausen im Sinne der vorliegenden Erfindung soll dabei insbesondere bedeuten, dass das Einhausungsmaterial zumindest mit einem Teil des Schaltkreises unmittelbar in Kontakt steht.
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Beispielsweise kann das Einhausungsmaterial unmittelbar mit Leistungshalbleiter-Bauelementen in Kontakt stehen oder auch mit Bonddrähten, welche zur Verschaltung der Bauelemente dienen.
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Das Einhausungsmaterial dient dazu, den elektrischen Schaltkreis vor äußeren Einflüssen, wie insbesondere Feuchtigkeit, Staub, oder auch mechanischen Einflüssen, zu schützen, um so in rauen Umgebungen wie sie z. B. in einem Automatikgetriebe vorhanden sind, zu bestehen. Dadurch kann beispielsweise Getriebeölkontakt erlaubt werden und ein Schutz vor Korrosion kann bereitgestellt werden.
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Insbesondere kann durch das Vorsehen des Einhausungsmaterials auf die Verwendung eines zusätzlichen den elektrischen Schaltkreis umgebenden Gehäuses verzichtet werden, so dass das Leistungshalbleitermodul gehäusefrei ausgestaltet sein kann.
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Darüber hinaus bietet das Einhausungsmaterial eine mechanische Stabilität des Leistungshalbleitermoduls, so dass auf das Vorsehen von Grundplatten oder ähnlichen Bauteilen, welche der Stabilität des Moduls dienen, verzichtet werden kann oder das derartige Bauteile zumindest reduziert oder leichter und/oder mit weniger Material ausgebildet werden können.
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Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass das Einhausungsmaterial einen thermisch leitfähigen Füllstoff aufweist. Der Füllstoff kann es ermöglichen, dass insbesondere gegenüber einem reinen Einhausungsmaterial die Wärmeleitfähigkeit verbessert wird, was wiederum zu einer verbesserten Wärmeabführung und somit zu einer verbesserten Kühlung des Schaltkreises führen kann. Unter einem thermisch leitfähigen Füllstoff soll im Sinne der Erfindung insbesondere ein solcher verstanden werden, der eine bessere thermische Leitfähigkeit aufweist, als das reine Einhausungsmaterial. Die spezifische Auswahl des Füllstoffs kann vor dem Hintergrund der gewünschten Anwendung und der gewünschten thermischen und mechanischen Eigenschaften sowie etwaigen Kostenvorgaben gewählt werden.
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Hinsichtlich des Einhausungsmaterials kann es bevorzugt sein, dass dieses ein duroplastisches Material ist. Duroplastische Materialien bieten den Vorteil einer besonders vorteilhaften Kombination von Verarbeitbarkeit und erhältlichen Eigenschaften als Einhausungsmaterial. Hinsichtlich der Verarbeitbarkeit ist es von Vorteil, dass Duroplaste meist als Vergussmassen verwendbar sind, bevor Sie ihren duroplastischen Zustand erreichen. Dadurch sind sie gut dazu geeignet, den elektrischen Schaltkreis zumindest zum Teil einzuhausen. Darüber hinaus wird es so möglich, hoch definierbar und reproduzierbar Kühlstrukturen sowohl als innere, als auch als äußere Struktur einzubringen. Dies etwa dadurch, dass beispielsweise für innere Strukturen Platzhalter, wie etwa sogenannte Heatpipes, eingegossen werden, welche die Form der Kühlstruktur erzeugen. Die äußeren Strukturen können etwa durch formgebende Werkzeuge erzeugt werden oder ebenfalls durch entsprechende Platzhalter erzeugbar sein.
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Mit Bezug auf die erzielbaren Eigenschaften bieten Duroplaste den Vorteil einer hohen Stabilität und Härte und einer meist sehr guten Medienresistenz, so dass ein hoher Schutz des elektrischen Schaltkreises kombinierbar ist mit der problemlosen Verwendung zum Führen eines Kühlmittels.
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Es ergibt sich somit eine verbesserte Robustheit gegenüber thermischen, mechanischen und chemische Störeinflüssen trotz Verzicht auf die branchenüblichen Gehäuselösungen. Damit einhergehend wird eine verbesserte Robustheit der Aufbau- und Verbindungstechnik über die gesamte Lebensdauer erzielt.
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Durch das Einhausungsmaterial erlaubt das Leistungshalbleitermodul wie beschrieben eine Reduzierung der Kosten bei Einhaltung gegebener Forderungen und Einschränkungen hinsichtlich des Thermomanagements. Hoher Bauteilaufwand, sowie eine starke, räumliche Einschränkung der elektronischen Baugruppen-Teile kann vermieden werden, da diese gasdicht und unter Beachtung etwa von gezieltem Schutz der Bauteil-Lötstellen geschützt werden können.
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Auf aus dem Stand der Technik bekannte und dort notwendige Bauteile, wie etwa Aluminium-Grundplatten zur mechanischen Stabilisierung, thermisches Interfacematerial, Gehäuse, etc. kann zumindest zum Teil verzichtet werden. Daraus folgt wie schon erwähnt eine Reduzierung der Gesamtkosten und des Gewichts und eine Vereinfachung der Herstellung. Letzteres kann insbesondere bei mobilen Anwendungen von großem Vorteil sein, wie etwa bei der Verwendung des Leistungshalbleitermoduls in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug etwa als Steuergerät beziehungsweise als Teil desselben für einen Antriebsstrang des Fahrzeugs.
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Erfindungsgemäß ist die Wärmeabführung in thermischem Kontakt im Sinne einer Wärmekonduktion mit wenigstens einem Leistungs-Halbleiterbauelement, bevorzugt mit sämtlichen Leistungs-Halbleiterbauelementen. In dieser Ausgestaltung können insbesondere Vorteile hinsichtlich einer effizienten Bauteilintegrierung ermöglicht werden. Denn die Leistungs-Halbleiterbauelemente benötigen oftmals eine effektive Kühlung, um hohe Leistungsdaten und eine gute Langzeitstabilität des Moduls zu erlauben. Werden die hierzu vorhandenen Bauteile auch für die Kühlung des oder der Kondensatoren verwendet, kann somit die Bauteilanzahl reduziert und Gewicht und Bauraumbedarf gering gehalten werden.
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Diesbezüglich kann es bevorzugt sein, dass die Wärmeabführung oder ein hiermit im Sinne einer Wärmekonduktion verbundenes Teil wenigstens ein Leistungs-Halbleiterbauelement von seiner Unterseite kühlt. Die Unterseite des Leistungs-Halbleiterbauelements soll dabei insbesondere die Seite sein, welche zu dem Substrat, wie etwa der Leiterplatte, gerichtet ist. Der Vorteil einer Kühlung von der Unterseite kann sich insbesondere darin zeigen, dass unterhalb des Substrats meist keine aktiven Bauteile vorliegen. Somit kann die Ausgestaltung in diesem Bereich des Moduls vollkommen darauf abgestimmt sein, wie die Kühlung besonders effektiv arbeiten kann. Eine Rücksichtnahme auf eventuell vorhandene weitere Bauteile braucht so nicht umgesetzt zu werden. Dadurch kann eine effektive Kühlung mit einer sehr geringen Raumerfordernis kombiniert werden. Eine derartige Kühlung kann möglich sein durch das Substrat an sich, oder etwa durch Bohrungen in dem Substrat, welche mit einem gut thermisch leitfähigen Material gefüllt sind. Die Bohrungen können somit entsprechend den beschriebenen Wärmeabführungen ausgestaltet sein.
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Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass die Wärmeabführung eine Mehrzahl an Bohrungen durch das Substrat aufweist, welche mit einem Wärmeabführmaterial gefüllt sind. In dieser Ausgestaltung kann das Substrat sogenannte „Thermovias“ im Bereich der Kondensatoren aufweisen. Derartige Mittel können die Wärme besonders wirksam abführen und sind dabei produktionstechnisch leicht umsetzbar.
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Hinsichtlich des Wärmeabführmaterials kann dieses bevorzugt ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Metallen und Kunststoffen, insbesondere Epoxidharzen.
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Metalle, wie etwa Kupfer, können an sich bereits eine gute thermische Leitfähigkeit aufweisen. Dies kann auch für Epoxidharze gelten, wobei die thermische Leitfähigkeit durch entsprechende, dem Fachmann bekannte, Füllstoffe weiter verbessert werden kann. Beispiele für derartige Füllstoffe umfassen etwa Metallpartikel, Keramikpartikel oder andere Substanzen, die eine bessere thermische Leitfähigkeit aufweisen, als das entsprechende Matrixmaterial.
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Weiter bevorzugt kann wenigstens ein Leistungs-Halbleiterbauelement, bevorzugt sämtliche Leistungs-Halbleiterbauelemente, durch einen Kühlkanal für ein Kühlfluid gekühlt werden, der hinsichtlich des Substrats gegenüberliegend zu wenigstens einem Leistungs-Halbleiterbauelement positioniert ist. Somit kann der Kühlkanal in dieser Ausgestaltung sehr wirksam auf das Leistungs-Halbleiterbauelement wirken, so dass das Thermomanagement insgesamt sehr effektiv ist und sehr hohe Leistungsdaten erreichbar sind. Eine Positionierung gegenüberliegend zu wenigstens einem Leistungs-Halbleiterbauelement soll dabei insbesondere bedeuten, dass der Kühlkanal an einer derartigen Position an dem Kühlelement vorliegt, an welcher gegenüberliegend an dem Kühlelement wenigstens ein Leistungs-Halbleiterbauelement positioniert ist, also der Kühlkanal und das Leistungs-Halbleiterbauelement insbesondere in einer zu dem Kühlelement rechtwinklig verlaufenden Ebene angeordnet sind. Somit kann der Kühlkanal das Leistungs-Halbleiterbauelement von seiner Unterseite her kühlen.
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Beispielsweise kann der Kühlkanal oder kann ein Kühlkanal ebenfalls benachbart beziehungsweise gegenüberliegend zu der Wärmeabführung vorliegen und/oder gegenüberliegend zu den Stromschienen und somit die Kondensatoren kühlen. Dadurch kann das Thermomanagement weiter verbessert werden.
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Besonders bevorzugt kann der Kühlkanal zwischen dem Substrat und dem Einhausungsmaterial vorliegen und zu dem Substrat geöffnet sein. In dieser Ausgestaltung kann der Kühlkanal somit durch das Einhausungsmaterial unmittelbar ausgebildet werden, oder es kann vor dem Aufbringen des Einhausungsmaterials eine den Kühlkanal unmittelbar umgebende Begrenzung, auch als Einleger bezeichnet, an dem Substrat angelegt werden, welche anschließend von dem Einhausungsmaterial eingehaust wird. In dieser Ausgestaltung wird der Raumbedarf für den Kühlkanal besonders gering gehalten. Darüber hinaus kann der Kühlkanal auf einfache Weise an die spezifischen Anforderungen maßgeschneidert werden, was die Kühlwirkung ebenfalls sehr positiv gestaltet. Darüber hinaus kann durch eine Öffnung des Kühlkanals zu dem Kühlelement das Kühlfluid, wie etwa Wasser oder ein Öl, unmittelbar an dem Substrat entlangfließen, was die Entwärmung besonders effektiv gestaltet.
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Besonders bevorzugt können an einer Begrenzung des Kühlkanals Strukturen zum Erzeugen von Turbulenzen in einem Kühlfluid vorgesehen sein. In dieser Ausgestaltung kann wiederum eine besonders effektive Kühlwirkung ermöglicht werden, da das den Kühlkanal durchströmende Kühlfluid turbulent insbesondere an dem Substrat entlangströmt.
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Dabei kann das Erzeugen von derartigen Strukturen sehr einfach ausführbar sein. Beispielsweise können die Kühlstrukturen in das Substrat, beispielsweise die Leiterplatte, oder eine andere Begrenzung des Kühlkanals, etwa das Einlegeteil oder das Kühlelement, eingeprägt werden. Dies erlaubt eine hohe Freiheit in den ausgebildeten Strukturen bei einer einfachen Herstellbarkeit.
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Um eine besonders wirksame Kühlung des Leistungshalbleitermoduls zu ermöglichen kann es weiterhin bevorzugt sein, dass das Einhausungsmaterial äußere Kühlstrukturen aufweist, also derartige Kühlstrukturen, welche in die äußere Umgebung des Moduls gerichtet sind. Dadurch wird es erlaubt, dass das Einhausungsmaterial nicht nur dem Bereitstellen mechanischer Stabilität und dem Schutz des elektrischen Schaltkreises vor äußeren Einflüssen dient, sondern darüber hinaus Teil des Entwärmungskonzepts der Baugruppe ist. Dadurch kann die Entwärmung beziehungsweise das Abführen von Wärme von dem elektrischen Schaltkreis besonders effektiv und ohne die Notwendigkeit aufwändiger weiterer Bauteile erfolgen. Hierdurch lassen sich Leistungsdaten und Herstellbarkeit des Leistungshalbleitermoduls weiter verbessern.
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Bevorzugt kann die äußere Kühlstruktur Kühlrippen umfassen. In dieser Ausgestaltung können somit insbesondere an der Oberfläche Strukturen vorgesehen sein, welche die Oberfläche im Vergleich zu einer glatten Oberfläche vergrößern. Beispielsweise können die Kühlrippen in an sich bekannter Weise durch das Ausbilden einer Vielzahl nebeneinanderliegender Rippen, auch als Kammstruktur bekannt, ausgebildet sein. Somit kann in dieser Ausgestaltung eine passive Kühlung erzeugt werden, durch welche Wärme an die die Kühlstruktur umgebende Atmosphäre abgegeben werden kann. Beispielsweise kann in der spezifischen Anwendung Luft als kühlende Atmosphäre benachbart zu den Kühlrippen vorliegen.
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Vorteil einer derartigen passiven Kühlung kann insbesondere sein, dass ohne weitere aktive Elemente eine Kühlung beziehungsweise eine Wärmeableitung unmittelbar durch die Ausgestaltung der Oberflächenstruktur des Einhausungsmaterials erfolgen kann, so dass auf weitere aktive Bauteile verzichtet werden kann.
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Besonders bevorzugt können die Kühlstrukturen benachbart zu dem Leistungshalbleiter-Bauelement und gegenüberliegend zu dem Kühlkanal derart vorliegen, dass die Kühlstrukturen wenigstens ein Leistungs-Halbleiterbauelement, beispielsweise sämtliche Leistungs-Halbleiterbauelemente, von seiner beziehungsweise ihrer Oberseite kühlen. Dies kann die Effektivität der Kühlung weiter verbessern, da das Leistungs-Halbleiterbauelement nunmehr von seiner Oberseite und von seiner Unterseite her gekühlt werden kann. Dadurch können die vorbeschriebenen und durch eine effektive Kühlung ermöglichten Vorteile besonders effektiv ermöglicht werden.
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Es kann ferner bevorzugt sein, dass der thermische Kontakt zwischen dem wenigstens einen Kondensator und der Wärmeabführung durch ein thermisch leitfähiges Zwischenmaterial ausgebildet ist. Thermisch leitfähige Zwischenmaterialien, auch als Thermisch leitfähige Interface-Materialien (TIM) bezeichnet, werden angewendet, um Luftspalte zu füllen und so die Wärmeleitung und damit die Abfuhr der Wärme, welche durch den elektrischen Betrieb entsteht, zu verbessern. Beispielsweise können thermisch leitfähige Isolatoren und Thermisch leitfähige Pasten verwendet werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung können insbesondere thermisch leitfähige Pasten verwendet werden, die elektrisch isolierend sind. Vorteilhaft können Wärmeleitwerte in einem Bereich von ≥ 3 W/mK, etwa ≤ 10 W/mK, beispielsweise von ≥ 4 W/mK, etwa ≤ 7 W/mK bis erreicht werden. Als Beispiele für derartige Materialien können beispielsweise sogenannte dem Fachmann unter diesen Begrifflichkeiten bekannte Liquid-Dispensed Silicone Thermal Pads, GapFiller oder Silicone-based conductive Sheets, so genannte Thermal Pads, dienen.
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Bevorzugt kann wenigstens ein Kondensator mit den Sammelschienen verschweißt sein. In dieser Ausgestaltung kann ein Kontakt des Kondensators mit den Sammelschienen auf einfache und dennoch sehr stabile Weise erfolgen. Dadurch kann die Langzeitstabilität des Moduls verbessert werden.
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Mit Bezug auf weitere Vorteile und technische Merkmale des Leistungshalbleitermoduls wird auf die Beschreibung des Antriebsstrangs, des Fahrzeugs, des Steuergeräts, auf die Figuren wie auf die Beschreibung der Figuren verwiesen, und umgekehrt.
Beschrieben wird ferner ein Antriebsstrang für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, wie insbesondere ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, aufweisend eine Spannungsquelle, ein Leistungshalbleitermodul und einen Elektromotor, wobei das Leistungshalbleitermodul ausgestaltet ist, wie insbesondere vorstehend beschrieben.
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Ein derartiger Antriebsstrang kann insbesondere von Vorteil sein für ein elektrisch angetriebenes beziehungsweise antreibbares Fahrzeug, wie etwa ein reines Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder auch ein Mild-Hybrid-Fahrzeug, welches etwa lediglich rekuperierte Energie bereitstellt.
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Die Spannungsquelle, insbesondere eine Batterie, kann eine an sich bekannte Batterie, wie insbesondere ein Lithium-Ionen-Akkumulator, sein und etwa eine Spannung in einem Bereich von 48 V bereitstellen, die an dem Leistungshalbleitermodul, insbesondere Inverter, anliegt.
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Entsprechend kann der elektrische Schaltkreis einen Inverter ausbilden. Besonders bevorzugt kann es sein, dass ein solcher Inverter ausgebildet wird, der dazu ausgebildet ist, eine Eingangsspannung von wenigstens 30 V, beispielsweise von 48 V, in eine Wechselspannung umzuwandeln.
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In dieser Ausgestaltung ist der Schaltkreis beziehungsweise ist das Leistungshalbleitermodul bevorzugt in dem Antriebsstrang eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs einsetzbar. Somit kann die beschriebene Erfindung insbesondere Lösungen aus dem Stand der Technik ersetzen, wo bislang abweichende Lösungen, wie etwa gehäusebasierte Lösungen, umgesetzt worden sind. Somit können die Vorteile der vorliegenden Erfindung insbesondere bei einem derartigen Inverter besonders effektiv zum Tragen kommen.
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Darüber hinaus ist insbesondere bei Invertern das thermische Management von großer Wichtigkeit, so dass verbesserte Lösungen zum Kühlen insbesondere bei Invertern, etwa im Antriebsstrang eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, bedeutsam sind.
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Der Inverter kann den Strom etwa in Wechselspannung invertieren und dabei den Elektromotor, wie etwa einen Dreiphasen-Elektromotor speisen. Dieser wiederum kann zum Antreiben des Fahrzeugs dienen. Somit kann das Leistungshalbleitermodul als Steuergerät beziehungsweise Steuergerät für den Elektromotor bezeichnet werden beziehungsweise dieses gemeinsam mit einem Microcontroller ausbilden.
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Ein derartiger Aufbau ist an sich bekannt, bietet jedoch durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls die Vorteile wie vorstehend beschrieben hinsichtlich einer verringerten Bauraumerfordernis und einer effizienten Kühlung bei gleichzeitig geringen Kosten. Ferner kann auch eine integrierte Lösung des Steuergeräts Verwendung finden und dabei möglich sein durch einen Einsatz in rauen beziehungsweise harschen Umgebungen.
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Mit Bezug auf weitere Vorteile und technische Merkmale des Antriebsstrangs wird auf die Beschreibung des Steuergeräts, des Leistungshalbleitermoduls, des Fahrzeugs, auf die Figuren wie auf die Beschreibung der Figuren verwiesen, und umgekehrt.
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Beschrieben wird ferner ein Steuergerät für einen Antriebsstrang für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, aufweisend ein Leistungshalbleitermodul, wobei das Leistungshalbleitermodul ausgestaltet ist wie vorstehend beschrieben. Insbesondere weist ein derartiges Steuergerät zusätzlich zu dem Leistungshalbleitermodul einen Microcontroller zum Ansteuern des Leistungshalbleitermoduls auf.
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Wie vorstehend beschrieben bildet ein derartiges Steuergerät bevorzugt einen solchen Inverter aus, der dazu ausgebildet ist, eine Eingangsspannung von wenigstens 30 V, beispielsweise von 48 V, in eine Wechselspannung umzuwandeln. Insbesondere bei Invertern ist das thermische Management von großer Wichtigkeit, so dass verbesserte Lösungen zum Kühlen insbesondere bei Invertern, etwa im Antriebsstrang eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, bedeutsam sind.
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Vorteile eines derartigen Steuergeräts zeigen sich bei einer verringerten Bauraumerfordernis und einer effizienten Kühlung bei gleichzeitig geringen Kosten. Ferner kann auch eine integrierte Lösung des Steuergeräts Verwendung finden und dabei möglich sein durch einen Einsatz in rauen beziehungsweise harschen Umgebungen.
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Mit Bezug auf weitere Vorteile und technische Merkmale des Steuergeräts wird auf die Beschreibung, des Leistungshalbleitermoduls, des Antriebsstrangs, des Fahrzeugs, auf die Figuren wie auf die Beschreibung der Figuren verwiesen, und umgekehrt.
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Beschrieben wird ferner ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, wobei das elektrisch antreibbare Fahrzeug wenigstens eines von einem Leistungshalbleitermodul und einem Antriebsstrang und einem Steuergerät aufweist, wie diese im Detail beschrieben sind.
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Das Fahrzeug kann beispielsweise ein vollständig elektrisch antreibbares Fahrzeug sein oder ein Hybrid-Fahrzeug oder auch ein Mild-Hybrid-Fahrzeug. Beispielhaft kann das Fahrzeug ein Kraftfahrzeug, wie etwa ein PKW, oder ein LKW oder ein Bus sein. Insbesondere kann das Fahrzeug ein Nutzfahrzeug sein, welches in rauen Umgebungen benutzbar ist. Ferner kann das Fahrzeug jedoch auch jegliches andere Landfahrzeug, Wasserfahrzeug, insbesondere Schiff, oder auch Luftfahrzeug, etwa ein Flugzeug oder ein Fahrzeug aus dem Bereich der Raumfahrt, sein.
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Das Fahrzeug kann dabei insbesondere die vorgenannten Vorteile aufweisen, wonach das Fahrzeug durch die Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls beziehungsweise des das Halbleitermodul aufweisenden Antriebsstrangs beziehungsweise des Steuergeräts Vorteile hinsichtlich des Thermo-Managements und der Bauraumerfordernis aufweist bei gleichzeitig geringen Kosten.
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Mit Bezug auf weitere Vorteile und technische Merkmale des Fahrzeugs wird auf die Beschreibung des Leistungshalbleitermoduls, des Antriebsstrangs, des Steuergeräts, auf die Figuren wie auf die Beschreibung der Figuren verwiesen, und umgekehrt.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Figuren weiter erläutert, wobei einzelne oder mehrere Merkmale der Figuren für sich oder in Kombination ein Merkmal der Erfindung sein können. Ferner sind die Figuren nur exemplarisch aber in keiner Weise beschränkend zu sehen.
- 1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine Ausgestaltung eines Leistungshalbleitermoduls gemäß der Erfindung;
- 2 zeigt schematisch eine Schnittansicht durch eine Ausgestaltung eines Leistungshalbleitermoduls gemäß der Erfindung;
- 3 zeigt schematisch eine Schnittansicht durch eine weitere Ausgestaltung eines Leistungshalbleitermoduls gemäß der Erfindung;
- 4 zeigt schematisch eine Schnittansicht durch eine weitere Ausgestaltung eines Leistungshalbleitermoduls gemäß der Erfindung;
- 5 zeigt schematisch eine Schnittansicht durch eine weitere Ausgestaltung eines Leistungshalbleitermoduls gemäß der Erfindung; und
- 6 zeigt schematisch einen Antriebsstrang aufweisend ein Leistungshalbleitermodul gemäß der Erfindung.
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In der 1 ist schematisch eine Draufsicht auf ein Leistungshalbleitermodul 10 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ein derartiges Leistungshalbleitermodul 10 kann insbesondere Anwendung finden in einem Steuergerät eines Antriebsstrangs eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs. Wie nachfolgend gezeigt ist ein Substrat 12 des Leistungshalbleitermoduls 10 im Bereich der Bauteile, welche für die Ansteuerung eines 3-Phasen Motors nötig sind, so gestaltet das, eine optimale thermische Entwärmung, insbesondere durch das Substrat 12, gewährleistet ist.
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In der 1 ist gezeigt, dass das Leistungshalbleitermodul 10 ein Substrat 12 aufweist. Das Substrat 12 kann insbesondere eine Leiterplatte sein, etwa ausgebildet aus FR4. Die Leiterplatte kann einlagig oder mehrlagig ausgebildet sein. Auf dem Substrat 12 ist ein elektrischer Schaltkreis 14 angeordnet, wobei der elektrische Schaltkreis 14 wenigstens ein Leistungs-Halbleiterbauelement 16 aufweist. In der Ausgestaltung gemäß 1 sind vier Leistungs-Halbleiterbauelemente 16 vorgesehen, welche insbesondere MOSFETS sein können.
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Es ist ferner gezeigt, dass das Leistungshalbleitermodul 10 einen auch als Leadframe bezeichneten Leiterrahmen mit einer DC+ Sammelschiene 18 und einer DC- Sammelschiene 20 zum externen Kontaktieren des Leistungshalbleitermoduls 10 aufweist. Eine weitere Sammelschiene dient als Stromschiene 22 zur Anbindung an einen 3-phasen Motor. Desweitern sind Kontakte 24 vorgesehen, um das Leistungshalbleitermodul 10 mit einem Microcontroller zu verbinden.
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Es ist weiterhin gezeigt, dass die Sammelschienen mittels einer Press-fit Verbindung zum Substrat 12 ausgebildet sind. Die Sammelschienen mittels Press-fit Verbindungen kontaktieren somit das Substrat 12 beziehungswiese die Leiterplatte und bilden die Verbindung zur Spannungsquelle 56 und zum Elektromotor 58.
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Der elektrische Schaltkreis 14 umfasst ferner wenigstens einen Kondensator 26, wobei in der 1 drei Kondensatoren 26 gezeigt sind. Die Kondensatoren 26 sind auf den Sammelschienen, also auf der der DC+ Sammelschiene 18 und der DC- Sammelschiene 20 befestigt, insbesondere mit diesen verschweißt.
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Die 2 zeigt in einer Schnittansicht eine Ausgestaltung eines Leistungshalbleitermoduls 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Dabei zeigt 2, dass die Kondensatoren 26 in thermischem Kontakt im Sinne einer Wärmekonduktion mit einer durch das Substrat 12 verlaufenden Wärmeabführung 28 ist. Die Wärmeabführung 28 weist eine Mehrzahl an Bohrungen 30 in dem Substrat 12 beziehungsweise durch das Substrat 12 auf, welche mit einem Wärmeabführmaterial 32 gefüllt sind. Das Wärmeabführmaterial 32 kann dabei ausgewählt sein aus Metallen oder Kunststoffen, etwa gefüllt mit Keramikpartikeln, beispielsweise. Der thermische Kontakt zwischen den Kondensatoren 26 und der Wärmeabführung 28 ist ferner durch ein thermisch leitfähiges Zwischenmaterial 34 ausgebildet.
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Es ist ferner dargestellt, dass die Bohrungen 30 beziehungsweise das Wärmeabführmaterial 32 in thermischem Kontakt steht zu einem Kühlelement 31. Dieses kann die Wärme von den Kondensatoren 26 abführen. Hierzu kann es ausreichen, wenn eine Bohrung 30 das Kühlelement 31 mit dem thermisch leitfähigen Zwischenmaterial 34 verbindet, um so alle Kondensatoren 26 zu kühlen. Alternativ kann das Kühlelement 31 auch unter allen Kondensatoren 26 verlaufen und mit entsprechenden Bohrungen 30 unter sämtlichen Kondensatoren 26 thermisch verbunden sein.
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Es ist ferner gezeigt, dass das Kühlelement 31 in thermischem Kontakt im Sinne einer Wärmekonduktion mit den Leistungs-Halbleiterbauelementen 16 ist und diese insbesondere von deren Unterseite kühlen kann. Dazu können wiederum Bohrungen 30 mit einem Wärmeabführmaterial 32 gefüllt unterhalb der Leistungs-Halbleiterbauelemente 16 durch das Substrat 12 verlaufen.
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In der Ausgestaltung gemäß 2 ist das Leistungshalbleitermodul 10 ferner durch ein Einhausungsmaterial 36 zumindest teilweise eingehaust. Das Einhausungsmaterial 36 kann dabei äußere Kühlstrukturen 38 aufweisen. Insbesondere sind die äußeren Kühlstrukturen 38 benachbart zu den Leistungs-Halbleiterbauelementen 16 positioniert, so dass diese derart vorliegen, dass die Kühlstrukturen 38 die Leistungs-Halbleiterbauelemente 16 von der Oberseite her kühlen. Somit kann in dieser Ausgestaltung eine Kühlung der Leistungs-Halbleiterbauelemente 16 von der Oberseite und von der Unterseite her erfolgen.
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In der 3 ist eine weitere Ausgestaltung eines Leistungshalbleitermoduls 10 gezeigt. In dieser Ausgestaltung werden die Leistungs-Halbleiterbauelemente 16 durch einen Kühlkanal 40 für ein Kühlfluid gekühlt. Der Kühlkanal 40 ist hinsichtlich des Substrats 12 gegenüberliegend zu den Leistungs-Halbleiterbauelementen 16 positioniert. Der Kühlkanal 40 kann grundsätzlich etwa durch einen auf das Einhausungsmaterial 36 aufgebrachten Aufbau 42 gebildet werden, welcher durch Dichtungen 44 gegen das das Einhausungsmaterial 36 abgedichtet wird. Insbesondere ist der Kühlkanal 40 gegen das Substrat 12 geöffnet. In dem Kühlkanal 40 beziehungsweise an einer Begrenzung des Kühlkanals 42 können ferner Strukturen 52 zum Erzeugen von Turbulenzen in ein den Kühlkanal 40 durchströmendes Kühlfluid vorgesehen sein. Beispielsweise sind die Strukturen 52 in das Substrat 12 oder eine andere Begrenzung des Kühlkanals 40, wie insbesondere den Aufbau 42 oder das nachfolgend beschriebene Einlegeteil 46 eingeprägt. In dieser Ausgestaltung kann die Kühlung der Leistungs-Halbleiterbauelemente 16 von der Unterseite somit verbessert werden.
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In der Ausgestaltung gemäß 3 verläuft das Kühlelement 31 ferner nur innerhalb des Kühlkanals 40 und kühlt somit die Leistungs-Halbleiterbauelemente 16 und ferner die Kondensatoren 26 über das thermisch leitfähige Zwischenmaterial 34 und die Wärmeabführung 28.
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Die 4 zeigt eine weitere Ausgestaltung mit gegenüber 3 verändertem Kühlkanal 40. Gemäß 4 ist der Kühlkanal 40 zwischen dem Substrat 12 und dem Einhausungsmaterial 36 angeordnet und zu dem Substrat 12 geöffnet. Dies ist realisierbar, indem ein Einlegeteil 46 mit Zulauf 48 und Ablauf 50 für das Kühlfluid beziehungsweise für den Kühlkreislauf verwendet wird, das einen Hohlraum zwischen dem Substrat 12 und der Umhüllung beziehungswiese dem Einhausungsmaterial 36 bildet. Im nachfolgenden Umhüllungsprozess entsteht so ein mediendichter Kühlkanal 40, der bewirkt, dass das Kühlmedium direkt an dem Substrat 12 entlang strömt und dieses wie auch die Leistungs-Halbleiterbauelemente 16 kühlt. Auf entsprechende Dichtungen 44 kann so verzichtet werden und die Herstellung und Langlebigkeit kann so vereinfacht werden. Das Einlegeteil 46 kann wiederum mit Strukturen 52 als Strömungsgeometrien ausgebildet sein, um eine Verwirbelung des Kühlmediums zu erzeugen und die Kühlwirkung zu erhöhen. Derartige Geometrien können wie vorstehend beschrieben auch als Strukturen 52 zum Erzeugen von Turbulenzen in dem Kühlfluid bezeichnet werden. Somit könnte auf einen aufwendigen Metall-Kühler verzichtet werden, was eine Gewichtsersparnis zur Folge hätte.
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In der Ausgestaltung gemäß 4 verläuft das Kühlelement 31 ferner innerhalb und außerhalb des Kühlkanals 40 bis unter einen Kondensator 26 und kühlt dabei die Leistungs-Halbleiterbauelemente 16 und ferner die Kondensatoren 26 über das thermisch leitfähige Zwischenmaterial 34.
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In der 5 ist eine weitere Ausgestaltung gezeigt, welche im Wesentlichen der Ausgestaltung aus 4 entspricht.
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Es ist jedoch gezeigt, dass das Einhausungsmaterial 36 äußere Kühlstrukturen 38 aufweist, die gegenüberliegend zu dem Kühlkanal 40 vorliegen, um so auch eine Kühlung von der Oberseite über für die Leistungs-Halbleiterbauelemente 16 zu verbessern.
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In der Ausgestaltung gemäß 5 verläuft das Kühlelement 31 ferner innerhalb und außerhalb des Kühlkanals 40 unter einem Kondensator 26 und kühlt dabei die Leistungs-Halbleiterbauelemente 16 und ferner die Kondensatoren 26 über das thermisch leitfähige Zwischenmaterial 34.
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Die 6 zeigt eine Einbettung des Leistungshalbleitermoduls 10 in den Antriebsstrang 54 eines Kraftfahrzeugs. Im Detail ist eine Batterie, wie etwa eine Lithium-Ionen-Batterie, als Spannungsquelle 56 gezeigt, die etwa eine Spannung von 48 V bereitstellen kann mit einem Leistungshalbleitermodul 10 verbunden ist. Das Leistungshalbleitermodul 10 kann insbesondere einen Inverter ausbilden und den von der Batterie, die als Spannungsquelle 56 dient, anliegende Gleichspannung in Wechselspannung umformen. Diese kann einen Elektromotor 58 speisen, wie etwa einen Dreiphasenmotor. Somit ist das Leistungshalbleitermodul 10 gemeinsam mit einem Microcontroller ein Steuergerät für den Antriebsstrang 54.
