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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Elektronikmodule für einen Elektroantrieb. Bereitgestellt wird eine Inverteranordnung.
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Die Verwendung von Elektronikmodulen, etwa Leistungselektronikmodulen, bei Kraftfahrzeugen hat in den vergangenen Jahrzehnten stark zugenommen. Dies ist einerseits auf die Notwendigkeit, die Kraftstoffeinsparung und die Fahrzeugleistung zu verbessern, und andererseits auf die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zurückzuführen. Hauptbestandteil eines solchen Elektronikmoduls ist ein DC/AC-Wechselrichter (Inverter), der dazu dient, elektrische Maschinen wie Elektromotoren oder Generatoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom (AC) zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle (Akkumulator) erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Zu diesem Zweck umfassen die Inverter eine Vielzahl von Elektronikbauteilen, mit denen Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) realisiert werden, beispielsweise Halbleiterleistungsschalter, die auch als Leistungshalbleiter bezeichnet werden.
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Aktuell werden Leistungshalbleiterpackages, die Leistungshalbleiter beinhalten, direkt auf eine Kupferplatte gesintert, welche mittels Schrauben und Dichtungen mit dem Inverter-Gehäuse verbunden wird. Auf der Unterseite der Kupferplatte ist üblicherweise eine PIN-Fin Struktur zur Weiterleitung der Wärme an das Kühlwasser vorgesehen. Diese Anordnung hat mehrere Nachteile, unter anderem, dass Befestigung und Abdichtung zum Kühlkreislauf Einbauraum erfordert. Dies wiederum kann zur Folge haben, dass diverse Fehler auftreten, welche zu Undichtigkeiten und/oder Ausfällen führen können.
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Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Inverteranordnung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Vorgeschlagen wird eine Inverteranordnung, aufweisend ein Gehäuse mit einer Kühlkreislaufseite und einer mittels einer Trennwand davon getrennten Bauraumseite, sowie mindestens ein im Bereich der Bauraumseite angeordnetes Bauelement, das mindestens ein Leistungshalbleiter ist, wobei der mindestens eine Leistungshalbleiter direkt an der Trennwand des Gehäuses befestigt ist, und die Trennwand des Gehäuses auf der Kühlkreislaufseite eine Kühlstruktur im Bereich der Leistungshalbleiters aufweist.
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In einer Ausführung ist vorgesehen, dass die Kühlstruktur zusätzlich an Bereichen vorgesehen ist, an welchen weitere, zu kühlende Bauelemente angeordnet sind.
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In einer Ausführung ist vorgesehen, dass weitere, zu kühlende Bauelemente ein Zwischenkreiskondensator und/oder eine Leiterplatte und/oder ein EMV-Filter sind.
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In einer Ausführung ist vorgesehen, dass auf der Kühlkreislaufseite mäanderförmige Kanäle vorgesehen sind, in denen Kühlflüssigkeit geleitet und die Kühlstruktur angeordnet ist.
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In einer Ausführung ist vorgesehen, dass die mäanderförmigen Kanäle derart gebildet sind, dass die Kühlflüssigkeit zu jedem zu kühlenden Bauelement separat zugeführt wird.
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In einer Ausführung ist vorgesehen, dass in der Bauraumseite eine Leiterplatte angeordnet und mit dem Leistungshalbleiter elektrisch und/oder signaltechnisch verbunden ist.
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In einer Ausführung ist vorgesehen, dass in der Bauraumseite Kondensatorfolien eines Zwischenkreiskondensators sowie damit verbundene Stromschienen angeordnet und mit der Trennwand des Gehäuses direkt mechanisch und mit der Leiterplatte elektrisch verbunden sind.
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In einer Ausführung ist vorgesehen, dass der Leistungshalbleiter ein IGBT-Package ist, das auf einer Seite davon eine Befestigungsfläche aufweist, mit der es an der Trennwand des Gehäuses befestigt ist.
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Ferner wird ein Elektronikmodul bereitgestellt, aufweisend einen Inverter mit der Inverteranordnung zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem Elektroantrieb ausgestatteten Kraftfahrzeugs. Ferner wird ein Elektroantrieb eines Fahrzeugs bereitgestellt, aufweisend das Elektronikmodul zur Ansteuerung des Elektroantriebs. Außerdem wird ein Kraftfahrzeug mit dem Elektroantrieb bereitgestellt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau einer Inverteranordnung gemäß dem Stand der Technik.
- 2 zeigt einen prinzipiellen Aufbau einer Inverteranordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wie in 1 gezeigt, sind aktuelle Inverter derart gebildet, dass die Leistungshalbleiterpackages, also die in einem Bauteilgehäuse angeordneten Leistungshalbleiter 3, z.B. IGBTs, mit einer breiten Seite davon auf eine Basisplatte 2 gesintert sind. Die Basisplatte 2 ist dabei in der Regel als Kupferplatte ausgeführt. Die Kupferplatte wird mittels Schrauben 21 und Dichtungen 2 auf der Bauraumseite B des Inverter-Gehäuses 1 damit verbunden. Auf der Unterseite der Kupferplatte ist üblicherweise eine in der Regel als PIN-Fin Struktur gebildete Kühlstruktur 20 zur Weiterleitung der Wärme an die Kühlflüssigkeit 5 in der Kühlkreislaufseite K vorgesehen. Die Kühlstruktur 20 unterbricht dabei die Trennwand des Gehäuses 1 zwischen Bauraumseite B und Kühlkreislaufseite K des Gehäuses. In den Figuren ist lediglich die Trennwand mit Bezugszeichen „1“ versehen, da der Rest des Gehäuses nicht dargestellt ist.
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Die in 1 gezeigte Anordnung hat mehrere Nachteile, unter anderem, dass Befestigung und Abdichtung zum Kühlkreislauf Einbauraum erfordert. Dies wiederum kann zur Folge haben, dass diverse Fehler auftreten, welche zu Undichtigkeiten und/oder Ausfällen führen können.
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Deshalb wird die nachfolgend anhand der Ausführung in 2 beschriebene Inverteranordnung vorgeschlagen. Sie weist ein Gehäuse 1 mit einer Kühlkreislaufseite K und einer durch eine Trennwand (als Teil des Gehäuses 1) davon abgeteilten Bauraumseite B auf. Die Bauraumseite B ist die „trockene“ Seite, in welcher die elektrischen Bauteile, z.B. ein oder mehrere Leistungshalbleiter 3, angeordnet werden. Im Bereich der Kühlkreislaufseite K ist Kühlflüssigkeit 5 vorhanden, um die in der Bauraumseite B befindlichen Bauteile, insbesondere die Leistungshalbleiter 3, zu kühlen.
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Um die oben beschriebenen Nachteile der aktuellen Inverteranordnung zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass die Leistungshalbleiter 3 direkt an der Trennwand des Gehäuses 1 befestigt (damit mechanisch verbunden) sind, also die Basisplatte 2 wegfällt. Dies erfolgt vorteilhaft, indem sie mit ihrer vorhandenen Befestigungsfläche mit der Trennwand des Gehäuses 1 verbunden werden, z.B. durch Sintern.
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Außerdem weist das Gehäuse 1 (die Trennwand) der vorgeschlagenen Inverteranordnung auf der Kühlkreislaufseite K eine Kühlstruktur 10 auf. Diese kann lediglich im Bereich des Leistungshalbleiters 3 vorgesehen sein, aber auch im Bereich anderer zu kühlender Bauelemente wie dem Zwischenkreiskondensator (Verbund 6), einer Leiterplatte 4 oder einem EMV-Filter. Damit wird eine verbesserte Kühlleistung für auf der Bauraumseite B angeordnete Bauelemente realisiert.
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Durch die vorgeschlagene Anordnung entfällt die bisher benötigte Schnittstelle zwischen Leistungshalbleiter 3, Basisplatte 2, Gehäuse 1 und Kühlflüssigkeit 5. Folglich entfällt eine mögliche Ausfallursache.
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In einer Ausführung ist die Kühlstruktur 10 des Inverter-Gehäuses 1 rippenförmig ausgeführt, vorzugsweise als Pin-Fin-Struktur. Die in den Kühlkreislauf ragenden Rippen können dabei sehr hoch ausgeführt werden, um einen Ausgleich der schlechteren Leitfähigkeit von Aluminium (aus welchem normalerweise das Gehäuse 1 besteht) zu Kupfer bereitzustellen. Auch ist durch die größere Menge an Kühlflüssigkeit 5 sogar eine Verbesserung der Kühlleistung möglich.
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In einer Ausführung wird die Kühlflüssigkeit mittels mäanderförmiger Kanäle derart geführt, dass Bereiche der Trennwand des Gehäuses 1, an denen Bauelemente angeordnet sind, von denen Wärme abgeleitet werden soll, separat gekühlt werden. Solche Bauelemente sind nicht nur der Leistungshalbleiter 3, welcher stets zu kühlen ist, sondern auch der Zwischenkreiskondensator und/oder eine (bestückte) Leiterplatte 4 und/oder ein EMV-Filter. Innerhalb der mäanderförmigen Kanäle befindet sich dann die Kühlstruktur 10 mit den Rippen.
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Das heißt, dass große Teile des Gehäuses 1 (der Trennwand) für Kühlzwecke genutzt werden können, wobei durch eine mäanderförmige Kühlmittelführung Teilbereiche (einzelne zu kühlende Bauelemente) separat gekühlt werden können, wodurch eine gleichmäßigere Kühlung der einzelnen Bauelemente erreicht wird. Auch ergibt sich dadurch eine flexiblere Kühlmöglichkeit des Gehäuses 1.
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Die Kühlung kann noch zusätzlich verbessert werden, indem Teile des Zwischenkreiskondensators ebenfalls direkt an der Trennwand des Gehäuses 1 befestigt (mechanisch verbunden) werden (also ohne Zwischenelement außer z.B. einem Haftmittel). Hierbei werden zuerst die Kondensatorfolien und Metallanschlüsse (Stromschienen) direkt mit dem Gehäuse 1 (der Trennwand) verklebt und bilden so einen Verbund 6. Alternativ kann auch eine Duroplast-Umspritzung verwendet werden. Diese Umspritzung kann als elektrischer Isolierahmen zwischen den einzelnen Leistungshalbleitern 3 dienen. Außerdem könnte die Umspritzung die Aufnahmeelemente für die Leiterplatte 4 enthalten, welche mit den Leistungshalbleitern 3 elektrisch und signaltechnisch verbunden werden muss (Verbindung 34). Außerdem ist die Leiterplatte 4 mit dem Verbund 6 aus Kondensatorfolien und Stromschienen mittels einer Kontaktierung 61 elektrisch verbunden.
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In einer Ausführung trägt die Kühlkreislaufseite K des Gehäuses 1 die Anschluss-Stutzen für die Kühlflüssigkeit 5.
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In einer Ausführung ist der mindestens eine Leistungshalbleiter 3 ein IGBT-Package, das auf einer Seite davon eine Befestigungsfläche aufweist, mit der es an der Trennwand des Gehäuses 1 befestigt ist, vorzugsweise mittels einem Sinterprozess gemäß dem Stand der Technik.
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Durch die vorgeschlagene Lösung der neuartigen Inverteranordnung wird ein kompakter, vibrationssicherer Aufbau bereitgestellt. Es können sowohl Material und Bauraum eingespart werden, als auch aufgrund der geringeren Anzahl an zu verbauenden Bauteilen die Produktionsgeschwindigkeit erhöht werden, sowie Schnittstellen entfallen. Außerdem sind keine Abdichtmaßnahmen zwischen Kupferplatte und Gehäuse 1 mehr nötig, da die Kupferplatte (Basisplatte 2) entfällt.
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Zusätzlich ist die Inverteranordnung anpassungsfähiger, da die Leistungshalbleiter 3 flexibel im Gehäuse 1 platziert werden können, ohne dass das Design von Gehäuse 1 und Kupferplatte angepasst werden muss.
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Die Inverteranordnung ist Teil eines Elektronikmoduls, das im Rahmen dieser Erfindung zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Kraftfahrzeugs dient, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs, und/oder von elektrifizierten Achsen. Das Elektronikmodul umfasst einen DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter). Es kann außerdem einen AC/DC-Gleichrichter (Engl.: Rectifier), einen DC/DC-Wandler (Engl.: DC/DC Converter), Transformator (Engl.: Transformer) und/oder einen anderen elektrischen Wandler oder ein Teil eines solchen Wandlers umfassen oder ein Teil hiervon sein. Insbesondere dient das Elektronikmodul 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 erzeugen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 10
- Kühlstruktur Gehäuse
- 2
- Basisplatte
- 20
- Kühlstruktur Basisplatte
- 21
- Schrauben
- 22
- Dichtungen
- 3
- Leistungshalbleiter, IGBT
- 34
- Verbindung zwischen 3 und 4
- 4
- Leiterplatte
- 5
- Kühlflüssigkeit
- 6
- Verbund aus Kondensatorfolien und Stromschienen (Zwischenkreisondensator)
- 61
- Kontaktierung zwischen 4 und 6
- K
- Kühlkreislaufseite
- B
- Bauraumseite
