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Die Erfindung betrifft eine AC-Stromschienenanordnung für Inverter zum Betreiben eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs sowie einen entsprechenden Inverter.
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Im Stand der Technik sind reine Elektrofahrzeuge sowie Hybridfahrzeuge bekannt, welche ausschließlich bzw. unterstützend von einer oder mehreren elektrischen Maschinen als Antriebsaggregate angetrieben werden. Um die elektrischen Maschinen solcher Elektrofahrzeuge bzw. Hybridfahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen, umfassen die Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge elektrische Energiespeicher, insbesondere wiederaufladbare elektrische Batterien. Diese Batterien sind dabei als Gleichspannungsquellen ausgebildet, die elektrischen Maschinen benötigen in der Regel jedoch eine Wechselspannung. Daher wird zwischen einer Batterie und einer elektrischen Maschine eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs üblicherweise eine Leistungselektronik mit einem sog. Inverter geschaltet.
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Derartige Inverter umfassen üblicherweise Halbleiterschaltelemente, die typischerweise aus Transistoren gebildet sind. Dabei ist es bekannt, die Halbleiterschaltelemente in unterschiedlichen Integrationsgraden bereitzustellen, nämlich entweder als diskrete Einzelschalter mit einem geringen Integrationsgrad, jedoch hoher Skalierbarkeit, als Leistungsmodule mit einem hohen Integrationsgrad, jedoch geringer Skalierbarkeit, sowie als Halbbrücken, die hinsichtlich Integrationsgrad und Skalierbarkeit zwischen Einzelschaltern und Leistungsmodulen rangieren.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Inverter weisen eine hohe Streuinduktivität auf. Dadurch, dass die Streuinduktivität an die Schaltgeschwindigkeit der Halbleiterschaltelemente koppelt und hierdurch Spannungsüberhöhungen verursacht, ist die Funktionalität der bekannten Inverter beeinträchtigt.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine AC-Stromschienenanordnung bereitzustellen, um die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise zu beheben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die AC-Stromschienenanordnung und den Inverter gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
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Die Erfindung betrifft eine AC-Stromschienenanordnung, die für einen Inverter zum Betreiben eines elektrischen Antriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug verwendet wird. Der Inverter umfasst mehrere Halbbrücken, die jeweils mehrere Halbleiterschaltelemente zum Umwandeln eines eingangsseitigen DC-Stroms in einen ausgangsseitigen mehrphasigen AC-Strom mit mehreren Phasenströmen ausgebildet sind. Jede Halbbrücke kann ein einziges Halbbrückenmodul oder mehrere Halbbrückenmodule umfassen. Das Halbbrückenmodul im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein modular ausgelegtes Bauteil, das eine Highside und eine Lowside umfasst, die jeweils ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente umfassen. Im Fall, dass die Halbbrücke mehrere Halbbrückenmodule umfasst, sind die Highsides dieser Halbbrückenmodule zueinander parallelgeschaltet und bilden eine gemeinsame Highside der gesamten Halbbrücke, wobei die Lowsides dieser Halbbrückenmodule ebenfalls zueinander parallelgeschaltet sind und eine gemeinsame Lowside der gesamten Halbbrücke bilden. Dies bedeutet, dass je nach gewünschter Fahrzeugleistung die durch die Halbbrücken jeweils tragbare Strommenge durch eine geeignete Wahl der Anzahl an Halbbrückenmodulen pro Halbbrücke beliebig nach oben oder unten skalierbar ist.
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Zwischen einem AC-Ausgang der Halbbrücken und dem elektrischen Antrieb ist die erfindungsgemäße AC-Stromschienenanordnung angeordnet. In der AC-Stromschienenanordnung sind mehrere AC-Stromschienen zum Leiten der jeweiligen Phasenströme von den Halbbrücken zum elektrischen Antrieb ausgebildet. Jede AC-Stromschiene ist einem der AC-Phasenströme mit fester Entsprechung eindeutig zugeordnet. Die AC-Stromschienen umfassen jeweils mehrere Eingangskontakte zum Anschließen an die Halbbrücken. Die Eingangskontakte sind jeweils einem AC-Ausgangsanschluss der jeweiligen Halbbrücke zugeordnet und mit diesem elektrisch kontaktiert. Der AC-Phasenstrom wird durch die Eingangskontakte der zugehörigen AC-Stromschiene in diese injiziert. Dies bedeutet, dass jedem AC-Phasenstrom mehrere Zweigphasenströme zugeordnet sind, die jeweils durch einen der Eingangskontakte in die AC-Stromschiene eingespeist werden.
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Die AC-Stromschienen umfassen jeweils zusätzlich einen Ausgangskontakt zum Anschließen an den elektrischen Antrieb, insbesondere zum Einspeisen der Phasenströme in Wicklungen einer E-Maschine bzw. eines Elektromotors. Die AC-Stromschienen umfassen jeweils einen zwischen den Eingangskontakten einerseits und dem Ausgangskontakt andererseits verbindenden T-förmigen Leiter mit einem Querabschnitt und einem senkrecht zum Querabschnitt verlaufenden Längsabschnitt.
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Aufgrund der Geometrie der T-förmigen Geometrie der AC-Stromschienen münden die Zweigphasenströme jeder Phase im Querabschnitt des T-förmigen Leiters in einen AC-Phasenstrom, der über den Längsabschnitt des T-förmigen Leiters zum Ausgangskontakt der zugehörigen AC-Stromschiene geführt wird. Auf diese Weise ist eine hohe Symmetrie des Stromflusses von den Eingangskontakten bis zum Ausgangskontakt der jeweiligen AC-Stromschiene trotz der Mehrzahl an Eingangskontakten erreichbar.
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Gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich der Längsabschnitt mittig des Querabschnittes in Richtung des Ausgangskontakts. Diese Maßnahme erhöht die Symmetrie des Stromflusses
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Längsabschnitt gegenüber dem Querabschnitt vertikal nach unten versetzt. Auf dem Längsabschnitt kann ein Stromsensor zum Erfassen des AC-Phasenstroms angebracht werden, wobei der Stromsensor einen oder mehrere Signalpins umfasst, die vertikal nach oben ausgerichtet sind. Dadurch, dass sich die Signalpins von einem Grundkörper der jeweiligen Stromsensoren vertikal nach oben erstrecken und der Grundkörper eine gewisse Dicke aufweist, kann diese Dicke des Grundkörpers durch die Höhendifferenz zwischen dem Längsabschnitt und dem Querabschnitt kompensiert werden. Auf diese Weise können die Signalpins auf gleicher Höhe wie Signalanschlüsse der Halbbrücken mit einer gemeinsamen Leiterplatte verbunden werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die AC-Stromschienen mit einem stromisolierenden Spritzgussmaterial umspritzt, um einen Trägerrahmen zu bilden. Der Trägerrahmen ist daher durch die Umspritzung der AC-Stromschienen gebildet. Die Umspritzung vergrößert die Luft- und Kriechstrecken zwischen den einzelnen Stromschienen, was eine Potentialtrennung zwischen den Phasen sicherstellt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Trägerrahmen eingangsseitig mehrere Öffnungen zum Führen mehrerer Signalanschlüsse der Halbbrücken auf. Die Signalanschlüsse sind zur Übertragung von Steuersignalen zum Ansteuern der in den Halbbrücken verbauten Halbleiterschaltelemente ausgebildet. Die Öffnungen fungieren daher als Führung der Signalanschlüsse, was eine sichere Halterung für die Signalanschlüsse mit Schutz gegen Vibrationen und hieraus folgende Beschädigungen der Signalanschlüsse bereitstellt. Zusätzlich dienen die Öffnungen auch zur Vorpositionierung der Signalanschlüsse, damit die Leiterplatte einfacher und leichter zu den Signalanschlüssen montiert werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umschließt der Trägerrahmen die Stromsensoren derart, dass nur mehrere Signalpins der Stromsensoren vom Spritzgussmaterial freigelegt sind. Diese Maßnahme erhöht die mechanische Stabilität der Stromsensoren und schützt diese vor Beschädigungen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die AC-Stromschienen auf einer einem Invertergehäuse zugewandten Unterseite vom Spritzgussmaterial zumindest teilweise freigelegt. Diese zumindest teilweise freigelegte Unterseite der AC-Stromschienen kann mit einem Kühlkörper, vorzugsweise einem Invertergehäuse, in thermische Kopplung gebracht werden. Hierzu kann eine stromisolierende Wärmeleitfolie dienen, die zwischen der Unterseite der AC-Stromschienen und dem Kühlkörper bzw. dem Invertergehäuse angeordnet ist. Dies ermöglicht eine wirksame Kühlung der AC-Stromschienen, was das thermische Verhalten des gesamten Inverters verbessert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Trägerrahmen ausgangsseitig einen Querträger auf, durch den die Ausgangskontakte der AC-Stromschienen gehaltert sind. Der Querträger verbindet daher die Ausgangskontakte verschiedener Phasen mechanisch miteinander und ermöglicht eine stabile Halterung für die Ausgangskontakte. Insbesondere ist zwischen benachbarten Ausgangskontakten das stromisolierende Spritzgussmaterial vorhanden, sodass eine Potentialtrennung zwischen den Phasen sichergestellt ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Trägerrahmen auf einer einem Invertergehäuse zugewandten Unterseite eine Ringform zur Aufnahme eines Befestigungsmittels auf, wobei das Befestigungsmittel zur Befestigung einer darunter befindlichen Kühlplatte ausgebildet ist. Auf diese Weise ist eine Luft- und Kriechstrecke zwischen dem Befestigungsmittel und weiteren stromleitenden Bauteilen im Inverter erzeugt, was eine Potentialtrennung zwischen dem Befestigungsmittel, etwa Schraube, und den stromleitenden Bauteilen des Inverters sicherstellt.
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Die Erfindung betrifft weiterhin den vorstehend beschriebenen Inverter mit einem solchen AC-Stromschienenanordnung. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen AC-Stromschienenanordnung beschriebenen Vorteile auch für den erfindungsgemäßen Inverter.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer AC-Stromschienenanordnung für einen Inverter in Perspektivansicht;
- 2 eine schematische Darstellung mehrerer AC-Stromschienen der AC-Stromschienenanordnung aus 1 in Perspektivansicht;
- 3 eine weitere schematische Darstellung der AC-Stromschienenanordnung aus 1 in einer Perspektivansicht.
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Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer AC-Stromschienenanordnung 10 für einen Inverter. Der Inverter (hier nicht gezeigt) ist dazu ausgebildet, einen elektrischen Antrieb in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug zu bestromen. Dazu sind im Inverter mehrere Halbbrücken (hier nicht gezeigt) verbaut, die jeweils einer Phase eines AC-Stroms zugeordnet sind. Die Halbbrücken umfassen jeweils eine Highside und eine Lowside, die jeweils ein oder mehrere Halbleiterschaltelemente aufweisen. Als Halbleiterschaltelemente können MOSFETs und/oder IGBTs eingesetzt werden. Als den Halbleiterschaltelementen zugrundeliegendes Halbleitermaterial können sogenannte Halbleiter mit großen Bandlücken (Engl.: Wide Bandgap Semiconductors, WBS) wie SiC oder GaN verwendet werden.
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Zwecks flexibler Skalierung der durch die Halbbrücken tragbaren Strommenge können Halbbrückenmodule verwendet werden. Solche Halbbrückenmodule weisen jeweils eine Modulhighside und eine Modullowside auf, die jeweils ein oder mehrere Halbleiterschaltelemente umfassen. Zusätzlich sind Leistungsanschlüsse und Signalanschlüsse in jedem Halbbrückenmodul vorgesehen, um eingangsseitig einen DC-Strom einzuspeisen und ausgangsseitig einen AC-Strom abzunehmen. Die Signalanschlüsse dienen hierbei zum Ansteuern der Halbleiterschaltelemente. In diesem Fall lassen sich die gesamten Halbbrücken des Inverters jeweils ein oder mehrere solche Halbbrückenmodule umfassen. In der jeweiligen Halbbrücke können die einzelnen Modulhighsides parallelgeschaltet sein und zur Highside der gesamten Halbbrücke kombiniert werden, wobei die einzelnen Modullowsides parallelgeschaltet sein und zur Lowside der gesamten Halbbrücke kombiniert werden können.
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Die AC-Stromschienenanordnung 10 umfasst, wie in 2 näher gezeigt, mehrere AC-Stromschienen 12A-C. Die AC-Stromschienen 12A-C weisen jeweils mehrere Eingangskontakte 14A-C, 16A-C, 18A-C, 20A-C und einen Ausgangskontakt 22A-C auf. Die Eingangskontakte 14A-C, 16A-C, 18A-C, 20A-C sind mit einem AC-Stromausgang der Halbbrücken elektrisch verbunden. Hierbei sind die Eingangskontakte 14A-C, 16A-C, 18A-C, 20A-C jeweils einem AC-Ausgangsanschluss der jeweiligen Halbbrücke zugeordnet und an diesem elektrisch kontaktiert. Im hier gezeigten Beispiel umfasst jede AC-Stromschiene 12A-C vier Eingangskontakte 14A-C, 16A-C, 18A-C, 20A-C. Demgegenüber ist eine Halbbrücke bestehend aus zwei Halbbrückenmodulen pro Phase vorgesehen, wobei jedes Halbbrückenmodul zwei AC-Ausgangsanschlüsse umfasst. Jeder dieser AC-Ausgangsanschlüsse leitet einen Zweigphasenstrom von den Halbbrücken zum zugehörigen Eingangskontakt 14A-C, 16A-C, 18A-C, 20A-C. In jeder AC-Stromschiene 12A-C münden die vier Zweigphasenströme in einen gesamten Phasenstrom.
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Die AC-Stromschienen 12A-C weisen jeweils einen T-förmigen Leiter 24A-C auf, der einen Querabschnitt 26A-C und einen zum Querabschnitt 26A-C senkrecht stehenden Längsabschnitt 28A-C umfasst. Die Eingangskontakte 14A-C, 16A-C, 18A-C, 20A-C erstrecken sich vom Querabschnitt 26A-C in Richtung der Halbbrücken. Der Längsabschnitt 28A-C erstreckt sich mittig des Querabschnittes 26A-C senkrecht in Richtung des Ausgangskontaktes 22A-C. Der Längsabschnitt 28A-C ist gegenüber dem Querabschnitt 26A-C vertikal nach unten versetzt. Auf dem ersten und dritten Längsabschnitt 28A,C ist jeweils ein Stromsensor 30A, C angebracht. Hierzu weisen die Längsabschnitte 28A, C jeweils eine Ausnehmung zum Einstecken eines Grundkörpers (insbesondere einer Leiterplatte) des Stromsensors 30A, C auf. Der zweite Längsabschnitt 28B ist in diesem Beispiel kürzer als die anderen beiden Längsabschnitte 28A,C ausgebildet und erstreckt sich in einer Querrichtung weiter. Ein weiterer Stromsensor 30B ist auf einem zum zweiten Längsabschnitt 28B in der Querrichtung stehenden Zwischenabschnitt angebracht. Die Kopplungen zwischen den Stromsensoren 30A-C ist geringer, wenn diese wie in 2 dargestellt, um 90 Grad zueinander gedreht sind. Es versteht sich, dass diese Anordnung lediglich beispielhaft ist. Je nach vorhandenem Bauraum können die AC-Stromschienen 12A-C auch symmetrisch bzw. die Stromsensoren 30A-C parallel zueinander angeordnet sein.
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Aufgrund der Höhendifferenz zwischen den Längsabschnitten 28A-C und den Querabschnitten 26A-C kann die Dicke des Grundkörpers bzw. der Leiterplatte der Stromsensoren 30A-C kompensiert werden. Hierdurch können mehrere Signalpins 32 der Stromsensoren 30A-C auf gleicher Höhe wie die Signalanschlüsse der Halbbrücken an eine Leiterplatte des Inverters angebunden bzw. in diese eingesteckt werden. Dies ermöglicht die Verwendung einer einzigen Leiterplatte sowohl für die Signalanschlüsse der Halbbrücken als auch für die Signalpins der Stromsensoren 30A-C, was die Montage des Inverters erheblich vereinfacht.
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Die AC-Stromschienen 12A-C sind mittels eines Spritzgussverfahrens mit einem elektrisch isolierenden Spritzgussmaterial umspritzt. Hieraus resultiert ein stromisolierender Trägerrahmen 34. Der Trägerrahmen 34 umschließt die AC-Stromschienen 12A-C bis auf die Eingangskontakte 14A-C, die Ausgangskontakte 22A-C sowie eine ausgangsseitige Unterseite (hier nicht explizit gezeigt). Die vom Spritzgussmaterial freigelegte ausgangsseitige Unterseite ist im montierten Zustand einem Invertergehäuse zugewandt. Eine stromisolierende Wärmeleitfolie 38 ist an der ausgangsseitigen Unterseite angebracht, um eine thermische Kopplung zwischen dieser und dem Invertergehäuse und somit eine wirksame Kühlung der AC-Stromschienen 12A-C zu ermöglichen.
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Auch die Signalpins 32A-C der Stromsensoren 30A-C sind vom Spritzgussmaterial freigelegt. Beim Spritzgussverfahren können vor dem Aufspritzen der AC-Stromschienen 12A-C die Stromsensoren 30A-C zuerst an den AC-Stromschienen 12A-C angebracht werden. Alternativ können die AC-Stromschienen 12A-C zuerst umspritzt werden und die Stromsensoren 30A-C erst danach angebracht werden. Im letzteren Fall erfolgt ein zusätzlicher Spritzgussschritt, um den Grundkörper bzw. die Leiterplatte der jeweiligen Stromsensoren 30A-C umspritzen.
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Der Trägerrahmen 34 weist ausgangsseitig zusätzlich einen Querträger 40 auf, der die Ausgangskontakte 22A-C mechanisch miteinander verbindet. Dies erhöht die mechanische Stabilität der AC-Stromschienen 12A-C. Der Trägerrahmen 34 weist, wie in 3 näher gezeigt, eingangsseitig zusätzlich mehrere Öffnungen 36 zum Durchführen der Signalanschlüsse der Halbbrücken auf. Auch ist eine Ringform 42 auf einer in 3 gezeigten eingangsseitigen Unterseite der AC-Stromschienen 12A-C ausgebildet. Die Ringform 42 vergrößert die Luft- und Kriechstrecken zwischen den der jeweiligen AC-Stromschiene 12A-C und einer Schraube im Inverter, welche zur Befestigung eines weiteren Bauteils im Inverter dient, und stellt eine Potentialtrennung zwischen diesen sicher.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- AC-Stromschienenanordnung
- 12A-C
- AC-Stromschienen
- 14A-C, 16A-C, 18A-C, 20A-C
- Eingangskontakte
- 22A-C
- Ausgangskontakte
- 24A-C
- T-förmiger Leiter
- 26A-C
- Querabschnitt
- 28A-C
- Längsabschnitt
- 30A-C
- Stromsensor
- 32
- Signalpins
- 34
- Trägerrahmen
- 36
- Öffnungen
- 38
- Wärmeleitfolie
- 40
- Querträger
- 42
- Ringform
