DE102022213632A1

DE102022213632A1 - Kommutierzelle für einen Inverter

Info

Publication number: DE102022213632A1
Application number: DE102022213632.2A
Authority: DE
Inventors: Gunnar Bruns; Nils Rebmann; Dominik Alexander Ruoff; Marco Rueck; Marco Salvatore Costa
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-12-14
Filing date: 2022-12-14
Publication date: 2024-06-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kommutierzelle für einen Inverter. Die Kommutierzelle weist wenigstens einen insbesondere keramischen Schaltungsträger, und wenigstens eine mit dem Schaltungsträger verbundene Halbleiterschalter-Halbbrücke auf. Der Schaltungsträger weist eine elektrisch isolierende Schicht, und wenigstens eine mit der elektrisch isolierenden Schicht verbundene elektrisch leitfähige Schicht auf. Bei dem Schaltungsträger sind wenigstens zwei elektrisch leitfähige Schichten mit zueinander entgegengesetzter Polarität jeweils mit ihrer Längserstreckung in dieselbe Richtung weisend und in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, und wenigstens eine der elektrisch leitfähigen Schichten von einem Stromversorgungsanschluss zu einem Schaltstreckenanschluss der Halbleiterschalter-Halbbrücke geführt und dort mit dem Schaltstreckenanschluss insbesondere stoffschlüssig verbunden ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Kommutierzelle für einen Inverter. Die Kommutierzelle weist wenigstens einen insbesondere keramischen Schaltungsträger, und wenigstens eine mit dem Schaltungsträger verbundene Halbleiterschalter-Halbbrücke auf.
Aus der DE 10 2021 202 174 A1 ist ein Leistungsmodul für einen Wechselrichter bekannt, welches einen Schaltungsträger und Halbleiterschalter aufweist.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß weist der Schaltungsträger der eingangs genannten Art eine elektrisch isolierende Schicht, insbesondere Keramikschicht und wenigstens eine mit der elektrisch isolierenden Schicht verbundene elektrisch leitfähige Schicht, insbesondere Kupferschicht auf. Bei dem Schaltungsträger sind wenigstens zwei elektrisch leitfähige Schichten mit zueinander entgegengesetzter Polarität jeweils mit ihrer Längserstreckung in dieselbe Richtung weisend und in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, und wenigstens eine oder beide der zwei elektrisch leitfähigen Schichten von einem Stromversorgungsanschluss zu einem Schaltstreckenanschluss der Halbleiterschalter-Halbbrücke geführt ist, wobei der Schaltstreckenanschluss insbesondere bonddrahtfrei kontaktiert ist.
Bevorzugt sind bei dem zwei elektrisch leitfähige Schichten mit zueinander entgegengesetzter Polarität von einem Stromversorgungsanschluss zu einem Schaltstreckenanschluss der Halbleiterschalter-Halbbrücke bonddrahtfrei geführt.
Weiter bevorzugt sind alle Verbindungen zu den Schaltstreckenanschlüssen der Halbleiterschalter der Kommutierzelle bonddrahtfrei ausgebildet. Vorteilhaft kann so eine niederohmige Kommutierzelle ausgebildet sein. Die Verbindungen zu den Schaltstreckenanschlüssen sind bevorzugt durch eine Lotverbindung, eine Sinterverbindung oder eine Schweißverbindung gebildet.
Vorteilhaft kann so eine niederinduktive Anordnung einer Kommutierzelle gebildet sein. Der Stromfluss kann so vorteilhaft in einer positiven Schicht und einer negativen Schicht jeweils entlang der Längserstreckung, im Folgenden auch Stromachse genannt, geführt sein, so dass parasitäre Induktivitäten einander aufheben können. Weiter vorteilhaft kann so ein Inverter, welcher für eine Phase wenigstens eine oder mehrere Kommutierzellen aufweist, aufwandsgünstig und niederinduktiv gebildet sein.
Bevorzugt ist die elektrisch leitfähige Schicht mit dem Schaltstreckenanschluss insbesondere stoffschlüssig verbunden. Bevorzugt ist die stoffschlüssige Verbindung zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht und dem Schaltstreckenanschluss eine Lotverbindung oder eine Sinterverbindung. Vorteilhaft kann die Halbbrücke so niederohmig mit Strom versorgt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kommutierzelle einen Phasenausgangsanschluss auf, wobei der Phasenausgangsanschluss angeordnet ist, dass ein Phasenausgangsstrom entlang derselben Richtung, insbesondere der Richtung der zwei elektrisch leitfähigen Schichten mit zueinander entgegengesetzter Polarität, fließen kann. Vorteilhaft kann so eine Verbindungsanordnung mit unidirektionalem Stromfluss gebildet sein. Es wurde nämlich erkannt, dass eine solche Leiteranordnung auf einem Schaltungssubstrat sowohl platzsparend, als auch niederinduktiv gebildet sein kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind auf dem Schaltungsträger zwei zueinander parallel in derselben Schaltungsträgerebene angeordnete elektrisch leitfähige Schichten zur Stromversorgung gebildet, die eine dazu komplementäre Stromversorgungsschicht zwischeneinander einschließen. Vorteilhaft kann so eine niederinduktive Anordnung gebildet sein, bei der parasitäre Induktivitäten einander aufheben können.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die zwei zueinander parallel angeordneten Stromversorgungsschichten durch eine positive Schicht gebildet. Die dazu komplementäre Stromversorgungsschicht ist eine negative Schicht. Vorteilhaft kann so eine niederinduktive Anordnung gebildet sein, insbesondere kann der Leistungshalbleiterschalter der Halbleiterschalter-Halbbrücke einen zum Schaltungsträger weisenden Drain-Anschluss, und einen vom Schaltungsträger abweisenden Source-Anschluss aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Kommutierzelle erstreckt sich wenigstens ein Längsabschnitt der Phasenstromschicht entlang der Längserstreckung zwischen den positiven Schichten. Vorteilhaft kann so eine niederinduktive und platzsparende Leiteranordnung auf dem Schaltungsträger gebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Kommutierzelle ist die Phasenstromschicht auf einem Längsabschnitt entlang der Längserstreckung U-förmig gebildet, und die negative Schicht zwischen den U-Schenkeln der Phasenstromschicht eingeschlossen. Vorteilhaft kann so eine Stromzweigaufteilung mit niederinduktiver Ausbildung und mit unidirektionalem Stromfluss gebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Kommutierzelle erstreckt sich ein Längsabschnitt der negativen Stromversorgungsschicht entlang der Längserstreckung zwischen zwei positiven Schichten, und ein weiterer daran angekoppelter Längsabschnitt, insbesondere Endabschnitt der negativen Stromversorgungsschicht, mündet in die U-förmige Phasenstromschicht. Vorteilhaft kann so ein platzsparender, niederinduktiver Schaltungsaufbau gebildet sein, bei dem ein unidirektionaler Stromfluss der Ströme verwirklicht ist.
Die Halbleiterschalter-Halbbrücke weist bevorzugt wenigstens einen Low-Side-Halbleiterschalter und wenigstens einen High-Side-Halbleiterschalter auf, welche zur Ausbildung der Halbbrücke jeweils mit einem Schaltstreckenanschluss miteinander seriell unter Ausbildung eines Ausgangs-Phasenanschlusses verbunden sind.
Der Low-Side-Halbleiterschalter und High-Side-Halbleiterschalter ist bevorzugt jeweils durch einen Transistor, insbesondere MOS-FET (MOS = Metal-Oxide-Semiconductor), MIS-FET (Metal-Insulator-Semiconductor) oder IGBT (IGBT = Insulated-Gate-Bipolar-Transistor) auf. Der Halbleiterschalter ist bevorzugt als ein gehäuseloser Halbleiter, auch Bare-Die genannt, weiter bevorzugt SiliziumCarbid-Halbleiter, ausgebildet.
Bevorzugt sind die Low-Side-Halbleiterschalter und die High-Side-Halbleiterschalter jeweils auf zueinander verschiedenen Hälften des Schaltungsträgers angeordnet. Vorteilhaft kann so ein platzsparender niederinduktiver Aufbau der Kommutierzelle gebildet sein.
Bevorzugt sind die Low-Side-Halbleiterschalter und die High-Side-Halbleiterschalter der Kommutierzelle mittels eines sich parallel zum Schaltungsträger erstreckenden Verbindungselements und wenigstens eines Kontaktelements zum Führen des Phasenpotentials miteinander verbunden, wobei die Phasenstromschicht mittels wenigstens eines Kontaktelements mit dem Verbindungselement verbunden ist. Vorteilhaft kann so das Phasenpotential platzsparend von den Halbleiterschaltern abgeführt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform schließt das Verbindungselement wenigstens einen Teil der Halbleiterschalter der Kommutierzelle, insbesondere die Low-Side-Halbleiterschalter oder die High-Side-Halbleiterschalterinsbesondere nach Art eines Sandwich - zwischeneinander ein. Vorteilhaft kann so eine Kommutierzelle mit zwei zueinander parallelen Umverdrahtungsebenen gebildet sein. Weiter vorteilhaft kann so Bauraum eingespart werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind eine Stromversorgungsschicht und die Phasenstromschicht jeweils U-förmig ausgebildet, wobei die zu der Stromversorgungsschicht komplementäre Stromversorgungsschicht sich zwischen U-Schenkeln der U-Form erstreckt. Weiter bevorzugt weisen die U-Schenkel der Stromversorgungsschicht und die U-Schenkel der Phasenstromschicht jeweils gleiche Flächen auf. Vorteilhaft kann so eine niederinduktive Kommutierzelle mit einem unidirektionalen Stromfluss mit gebildet sein.
Im Falle der positiven Stromversorgungsschicht ist die dazu komplementäre Stromversorgungsschicht die negative Stromversorgungsschicht, im Falle der negativen Stromversorgungsschicht ist die dazu komplementäre Stromversorgungsschicht die positive Stromversorgungsschicht.
Bevorzugt sind U-Schenkel der U-förmigen Phasenstromschicht jeweils mittels wenigstens eines oder nur eines Kontaktelements, insbesondere Metallblock, mit einem Verbindungselement verbunden, das sich parallel zu dem Schaltungsträger erstreckt.
Bevorzugt verbindet das Verbindungselement die Phasenstromschicht mit den Low-Side-Halbleiterschaltern der Kommutierzelle. Bevorzugt sind High-Side-Halbleiterschalter der Kommutierzelle mit der Phasenstromschicht verbunden, wobei auf jedem U-Schenkel der Phasenstromschicht wenigstens ein High-Side-Halbleiterschalter angeordnet ist. Vorteilhaft kann so zwischen den High-Side-Halbleiterschaltern und dem Verbindungelement, das den Phasenausgangsanschluss mit den Low-Side-Halbleiterschaltern verbindet, jeweils die gleiche Impedanz zu den Low-Side-Halbleiterschaltern hin ausgebildet sein.
Das Verbindungselement ist bevorzugt durch ein flaches Blechstück, insbesondere Leadframe oder Stanzgitter gebildet. Das Blechstück ist bevorzugt ein Kupferblechstück.
Das Verbindungelement ist in einer anderen Ausführungsform durch einen Schaltungsträger, insbesondere DCB-Substrat (DCB =Direct-Copper-Bonded), AMB-Substrat (AMB = Active-Metal-Brazed) oder IMS-Substrat (IMS = Insulated-Metal-Substrate) gebildet.
Das Verbindungselement ist mit dem Kontaktelement, insbesondere Metallblock, bevorzugt Kupferblock, verlötet, versintert, oder verschweißt, bevorzugt laserverschweißt oder ultraschallverschweißt.
Der Metallblock ist bevorzugt eine Kupferlegierung, insbesondere eine Kupfer-Nickel-Legierung, oder eine Eisen-Nickel-Legierung, beispielsweise Alloy 42.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Schaltungsträger einen Stromeingangsanschluss und einen Phasenausgangsanschluss auf, welcher auf dem Schaltungsträger entlang der Richtung, insbesondere unidirektionalen Stromflussrichtung, voneinander beabstandet sind. Vorteilhaft kann so ein platzsparender niederinduktiver Aufbau der Kommutierzelle gebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform schließen der Stromeingangsanschluss und der Phasenausgangsanschluss die Halbleiterschalter-Halbbrücke zwischeneinander ein. Vorteilhaft kann so eine niederinduktive Schaltungsanordnung mit kurzen Stromversorgungspfaden gebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Kommutierzelle ist ein Low-Side-Halbleiterschalter der Halbleiterschalter-Halbbrücke im Bereich des Phasenanschlusses angeordnet, und ein High-Side-Halbleiterschalter der Halbleiterschalter-Halbbrücke im Bereich des Stromversorgungsanschlusses angeordnet. Vorteilhaft können die Halbleiterschalter der Halbleiterschalter-Halbbrücke so in Richtung der Ströme in Serie angeordnet sein. Vorteilhaft kann so eine niederinduktive Schaltungsanordnung mit kurzen Strompfaden gebildet sein, insbesondere bei Halbleiterschaltern, bei denen ein dem Schaltungsträger zugewandter Schaltstreckenanschluss ein Drain-Anschluss ist, und ein vom Schaltungsträger abgewandter Schaltstreckenanschluss ein Source-Anschluss ist.
Die Erfindung betrifft auch einen mehrphasigen Inverter mit wenigstens drei Kommutierzellen der vorbeschriebenen Art.
Der Inverter weist bevorzugt für jede Phase wenigstens eine oder nur eine Kommutierzelle auf, und eine mit den Kommutierzellen verbundene Verarbeitungseinheit, die ausgebildet ist, die Kommutierzellen zum Erzeugen eines Phasenwechselstroms anzusteuern. Vorteilhaft kann der Inverter so niederinduktiv und verlustarm ausgebildet sein.
Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus einer Kombination der in den Figuren und in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Merkmale.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine niederinduktive Kommutierzelle, bei der in einer Schaltungsträgerebene fließende Ströme für den Phasenstrom und für die Stromversorgung zueinander gleich ausgerichtet sind;
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine niederinduktive Kommutierzelle, bei der in einer Schaltungsträgerebene fließende Ströme für die Stromversorgung in einer Schaltungsträgerhälfte zueinander parallel geführt angeordnet sind und in einer weiteren Schaltungsträgerhälfte der Phasenstrom mit einem Potential der Stromversorgung parallel geführt ist;
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine niederinduktive Kommutierzelle, bei der Stromschichten für ein Versorgungspotential zu einer Stromschicht für ein Phasenpotential abschnittsweise zueinander parallel geführt sind.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Kommutierzelle 1. Die Kommutierzelle 1 weist einen Schaltungsträger 2 auf, welcher in diesem Ausführungsbeispiel in seiner flachen Erstreckung eine Rechteckform aufweist.
Die Kommutierzelle 1 weist auch elektrisch leitfähige Schichten auf, insbesondere Umverdrahtungsschichten, welche mit einer elektrisch isolierenden Keramikschicht 26 des Schaltungsträgers 2 stoffschlüssig verbunden, insbesondere versintert sind.
Der Schaltungsträger 2 weist zwei elektrisch leitfähige positive Stromversorgungsschichten 4 und 5 auf, welche sich entlang einer Stromachse 20, zuvor auch Längserstreckung genannt, zueinander parallel erstrecken, und welche auf einem Hälftenabschnitt 23 eine negative Stromversorgungsschicht 3 zwischeneinander einschließen. Die Stromversorgungsschichten sind im Folgenden auch Stromschicht, insbesondere positive Stromschicht beziehungsweise negative Stromschicht, genannt.
Der Schaltungsträger 2 weist auch eine Phasenstromschicht 6 auf, welche sich auf dem Hälftenabschnitt 23, und einem weiteren an den Hälftenabschnitt 23 anschließenden Hälftenabschnitt 22 des Schaltungsträgers 2 erstreckt.
Die Phasenstromschicht 6 weist im Bereich des Hälftenabschnitts 22 eine Einschnürung 7 auf, wobei im Bereich der Einschnürung 7 ein elektrisch leitfähiges Verbindungselement 24, insbesondere ein Metallblock, mit der elektrisch leitfähigen Phasenstromschicht 6 elektrisch verbunden, insbesondere verlötet oder versintert ist.
Die Phasenstromschicht 6 weist einen U-förmigen Abschnitt 8 auf, welcher an die Einschnürung 7 anschließt. Sowohl der verjüngte Abschnitt 7, als auch der U-förmige Abschnitt 8 der Phasenstromschiene, insbesondere U-Schenkel 9 und 10 des U-förmigen Abschnitts 8, erstrecken sich jeweils entlang der Stromachse 20.
Die zwei zueinander parallel verlaufenden positiven Stromschienen 4 und 5 schließen den verjüngten Abschnitt 7 der Phasenstromschicht 6 zwischeneinander ein, wobei im Bereich des verjüngten Abschnitts 7 jeweils Kontaktflächen gebildet sind, welche jeweils an den verjüngten Abschnitt 7 - jeweils getrennt durch einen Isoliergraben - herangeführt sind.
Mit dem sich im Bereich des verjüngten Abschnitts 7 erstreckenden Kontaktbereich der positiven Stromschicht 5 sind in diesem Ausführungsbeispiel zwei High-Side-Halbleiterschalter 11 und 12, jeweils mit ihrem Drain-Anschluss, stoffschlüssig und elektrisch verbunden. Mit der positiven Stromschicht 4 sind zwei weitere High-Side-Halbleiterschalter 13 und 14 im Bereich des verjüngten Abschnitts 7 stoffschlüssig und elektrisch lotverbunden oder sinterverbunden. So sind die High-Side-Halbleiterschalter 11 und 13 zueinander gegenüber entlang der sich in einer Längsrichtung des Schaltungsträgers 2 erstreckenden Stromachse zueinander gegenüberliegend angeordnet. Die High-Side-Halbleiterschalter 12 und 14 sind von den High-Side-Halbleiterschaltern 11 und 13 entlang der Stromachse 20 beabstandet, zueinander gegenüberliegend angeordnet.
Die High-Side-Halbleiterschalter 11, 12, 13 und 14 sind in diesem Ausführungsbeispiel auf dem Hälftenabschnitt 22, im Folgenden auch High-Side-Abschnitt des Schaltungsträgers 2 genannt, angeordnet.
Auf dem Hälftenabschnitt 23, welcher in diesem Ausführungsbeispiel einen Low-Side-Abschnitt des Schaltungsträgers 2 bildet, sind auf dem U-Schenkel 9 zwei Low-Side-Halbleiterschalter 15 und 16, und auf dem U-Schenkel 10 zwei Low-Side-Halbleiterschalter 17 und 18 angeordnet.
Von den Low-Side-Halbleiterschaltern und den High-Side-Halbleiterschaltern weist jeweils ein Source-Anschluss von dem Schaltungsträger 2 ab, wobei die Source-Anschlüsse der High-Side-Halbleiterschalter 11, 12, 13 und 14 jeweils mit einem sich flach erstreckenden elektrischen Verbindungselement 19, beispielsweise einem Lead-Frame, einem Blech, insbesondere Kupferblech, oder einem Schaltungsträger elektrisch verbunden sind. So sind die High-Side-Halbleiterschalter 11, 12, 13 und 14 von dem Verbindungselement 19 abgedeckt, und elektrisch miteinander verbunden. Das Verbindungselement 19 ist auf dem Verbindungsabschnitt 7 mittels des Verbindungselements 24 mit der Phasenstromschiene 6 elektrisch verbunden. Das Verbindungselement 24 ist dazu mit dem Verbindungselement 19, insbesondere Schaltungsträger oder Lead-Frame, elektrisch verbunden, beispielsweise verschweißt, lotverbunden oder sinterverbunden.
Auf diese Weise erstrecken sich der Schaltungsträger 2 und das Verbindungselement 19 zu einander parallel, und schließen die High-Side-Halbleiterschalter 11, 12, 13 und 14 zwischeneinander - insbesondere nach Art eines Sandwiches - ein.
Die Low-Side-Halbleiterschalter sind in diesem Ausführungsbeispiel von einem sich flach erstreckenden Verbindungselement 21, beispielsweise einem Lead-Frame, einem Blechstück, oder einem Schaltungsträger bedeckt, welcher jeweils einen Source-Anschluss der Low-Side-Halbleiterschalter 15, 16, 17 und 18 elektrisch kontaktiert.
Mit der negativen Stromschicht 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel in einem von dem Verbindungselement 21 abgedeckten Bereich des Schaltungsträgers 2 ein elektrisch leitfähiges Verbindungselement 25, insbesondere Metallblock, verbunden, welcher mit der elektrisch leitfähigen negativen Schicht 3 elektrisch verbunden, insbesondere verlötet oder versintert ist, und welcher mit seiner dazu gegenüberliegenden Kontaktfläche mit dem Verbindungselement 21 verschweißt, verlötet oder versintert ist.
Die Low-Side-Halbleiterschalter 15, 16, 17 und 18 sind so jeweils mittels ihres Source-Anschlusses mit dem Verbindungselement 21, und weiter mittels des Verbindungselements 25 mit der negativen Stromschicht 3 verbunden.
Die Drain-Anschlüsse der High-Side-Halbleiterschalter sind jeweils mit einem U-Schenkel der Phasenstromschicht 6 verbunden, welche in diesem Ausführungsbeispiel einen Phasenausgangsanschluss der Kommutierzelle 1 bildet.
Die Phasenstromschicht 6 weist im Bereich einer Stirnseite 28 des Schaltungsträgers 2 eine Kontaktfläche zum Verschweißen oder Ultraschallverbinden auf. Auf diese Weise ist durch die Kontaktfläche ein Ausgangsanschluss der Kommutierzelle 1 gebildet.
Auf einer zur Stirnseite 28 gegenüberliegenden, und sich so zu dieser parallel erstreckenden Stirnseite 27 des Schaltungsträgers 2 sind im Bereich der Stirnseite 27 Kontaktflächen an den positiven Stromschienen 4 und 5, und auch an der negativen Stromschiene 3 gebildet.
Die Kontaktflächen im Bereich der Stirnseite bilden so einen Stromversorgungsanschluss für ein Versorgungspotenzial, insbesondere Batteriepotenzial der Kommutierzelle 1.
Die negative Stromschicht 3 erstreckt sich entlang der Stromachse 20 mit einem Längsabschnitt zwischen den U-Schenkeln 9 und 10, und ragt so, eine Art Zunge bildend, zwischen die Schenkel 9 und 10 der in diesem Ausführungsbeispiel auf dem Hälftenabschnitt 23 gebildeten U-förmigen Phasenstromschicht 6.
Sämtliche Ströme, welche die Stromschichten des Schaltungsträgers 2 der Kommutierzelle 1 passieren, fließen so zum überwiegenden Teil entlang der Stromachse 20.
Nur die über die Verbindungselemente 19 und 21 fließenden Ströme fließen quer zur Stromachse 20 zu den Source-Anschlüssen der jeweiligen Halbleiterschalter hin.
Die Verbindungselemente 19 und 21 decken die mit diesen jeweils unmittelbar stoffschlüssig verbundenen Halbleiterschalter jeweils vollständig ab, so dass die Halbleiterschalter zwischen dem Verbindungselement 19 beziehungsweise 21, und dem Schaltungsträger 2 - insbesondere nach Art eines Sandwich - eingeschlossen sind.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Kommutierzelle 31. Die Kommutierzelle 31 weist einen keramischen Schaltungsträger 32 mit einer Keramikschicht 49, und mit der Keramikschicht 49 stoffschlüssig verbundenen elektrisch leitfähigen Schichten auf, welche jeweils eine Umverdrahtungsschicht ausbilden.
Die Kommutierzelle 31, insbesondere der Schaltungsträger 32, weist eine positive Stromschicht 34 und eine weitere positive Stromschicht 35 auf, welche zueinander parallel angeordnet sind, und eine negative Stromschicht 33 zwischeneinander einschließen, von der die positiven Stromschichten 34 und 35 elektrisch isoliert sind.
Die positiven Stromschichten 34 und 35 erstrecken sich auf einem Hälftenbereich 48 des Schaltungsträgers 32. Die negative Stromschiene 33 erstreckt sich zungenförmig in den Hälftenbereich 48, und weist einen eingeschnürten Bereich 37 auf, in dem eine Breite der Stromschicht 33 im Vergleich zu an den eingeschnürten Bereich 37 angrenzenden in diesem Ausführungsbeispiel zungenförmigen Bereichen schmaler ausgebildet ist. Die negative Stromschicht 33 weist auch einen in diesem Ausführungsbeispiel zungenförmigen Bereich auf, welcher in eine weitere Hälfte 47 des Schaltungsträgers 32 hineinragt.
Der Schaltungsträger 32 weist auch eine in diesem Ausführungsbeispiel U-förmige Phasenschicht 36 auf, welche zwischen ihren U-Schenkeln den zungenförmigen Bereich der negativen Stromschicht 33 zwischeneinander einschließen.
Die U-Schenkel der Phasenstromschicht 36 flankieren den eingeschnürten Bereich 37 wenigstens auf einem Längsabschnitt oder vollständig, wobei den eingeschnürten Bereich 37 flankierende Endabschnitte der U-Schenkel der Phasenstromschicht 36 dazu schmaler ausgebildet sind, als die U-Schenkel.
Auf den Bereichen der U-Schenkel, welche den eingeschnürten Bereich 37 flankieren, sind jeweils elektrisch leitfähige Kontaktelemente 40, beziehungsweise 39 angeordnet, welche mit der Phasenstromschicht 36 elektrisch leitfähig verbunden, insbesondere verlötet oder versintert sind. Die Kontaktelemente 39 und 40 sind jeweils durch einen Metallblock, insbesondere einen Kupferblock, gebildet. Die Verbindungselemente 39 und 40 weisen somit gleiches Potential auf, so dass das Phasenpotential von der Phasenstromschicht 36 zum Verbindungselement mittels zwei Kontaktelementen geleitet werden kann. Die mit den U-Schenkeln der Phasenstromschicht 36 verbundenen Leistungshalbleiterschalter sind somit mit der jeweils gleichen Impedanz an das Verbindungselement 36 angekoppelt.
Dem zungenförmigen Kontaktbereich der negativen Schicht 33, welcher in der weiteren Hälfte 47 angeordnet ist, ist ein Kontaktelement 38 elektrisch - insbesondere stoffschlüssig mittels Löten oder Sintern - verbunden, welches in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Metallblock, insbesondere Kupferblock, gebildet ist.
Mittels der Kontaktelemente 38, 39 und 40 können die jeweiligen Potenziale zu einer zum Schaltungsträger 32 parallelen Ebene, gebildet durch die Verbindungselemente, geleitet werden.
Mit der Phasenstromschicht 36 sind in diesem Ausführungsbeispiel sechs Leistungshalbleiterschalter verbunden, von denen drei Leistungshalbleiterschalter auf einem U-Schenkel der Phasenstromschicht 36, und drei weitere Leistungshalbleiterschalter auf dem zu dem U-Schenkel gegenüberliegenden U-Schenkel der Phasenstromschicht 36 angeordnet sind. Ein Leistungshalbleiterschalter 41 auf einem U-Schenkel, und ein dazu gegenüberliegender Leistungshalbleiterschalter 42 auf dem weiteren U-Schenkel, welche einander gegenüberliegen, sind beispielhaft bezeichnet. Die Source-Anschlüsse der Leistungshalbleiterschalter 41 und 42, insbesondere Low-Side-Halbleiterschalter, sind jeweils mittels eines sich flach erstreckenden Verbindungselements 45, insbesondere einem Blechstück oder einem Kupferstanzgitter, elektrisch verbunden, und können ein negatives Potenzial von der Stromschicht 33 über das Verbindungselement 38 empfangen, welches mit dem Verbindungselement 45 verschweißt oder verlötet ist.
Mit der positiven Stromschicht 35 sind drei Leistungshalbleiterschalter verbunden, von denen ein Leistungshalbleiterschalter 43 beispielhaft bezeichnet ist. Mit der positiven Stromschicht 34 sind drei Leistungshalbleiterschalter elektrisch verbunden, von denen ein Leistungshalbleiterschalter 44 beispielhaft bezeichnet ist. Die Source-Anschlüsse der Leistungshalbleiterschalter 43 und 44, insbesondere High-Side-Halbleiterschalter, sind jeweils mit einem sich flach erstreckenden Verbindungselement 46 verbunden, welches die Leistungshalbleiterschalter 43 und 44, und die dazu benachbarten, im Hälftenbereich 48 des Schaltungsträgers 32 angeordneten und mit der positiven Stromschicht 34 beziehungsweise 35 verbundenen Leistungshalbleiterschalter elektrisch verbunden ist.
Das Verbindungselement 46 ist auch mit der Phasenstromschicht 36 mittels der Verbindungselemente 39 und 40 elektrisch verbunden, sodass die Source-Anschlüsse der in der Hälfte 48 des Schaltungsträgers 32 angeordneten Leistungshalbleiterschalter mit der Phasenausgangsschicht 36 elektrisch verbunden sind. Die in dem Hälftenbereich 48 angeordneten Leistungshalbleiterschalter sind in diesem Ausführungsbeispiel High-Side-Halbleiterschalter, und die in dem Hälftenbereich 47 angeordneten Leistungshalbleiterschalter sind Low-Side-Halbleiterschalter. Mit der in 2 dargestellten so ausgebildeten Kommutierzelle 31 können die die Kommutierzelle 31 passierenden Ströme mit einem Hauptanteil entlang einer Stromachse 30 fließen, sodass die Versorgungsströme zum Speisen der Kommutierzelle 31 im Bereich der High-Side-Halbleiterschalter in die Kommutierzelle 31 eingespeist werden können und im Bereich der Low-Side-Halbleiterschalter auf dem Hälftenbereich 47 die Kommutierzelle über die Phasenstromschicht 36 verlassen können.
2 zeigt auch gestrichelt gezeichnet, eine Variante zu der positiven Stromschicht 34 und der positiven Stromschicht 35, welche jeweils einen Schenkel einer U-förmigen positiven Stromschicht ausbilden können. Die so gebildete U-förmige positive Stromschicht kann dann die negative Stromschicht 33, insbesondere die in dem Hälftenbereich 48 angeordnete Zunge, umrahmend einschließen, und die Phasenstromschicht 36 kann die in dem Hälftenbereich 47 angeordnete Zunge der negativen Stromschicht 33 rahmend umschließen.
Bei der niederinduktiven Kommutierzelle 31 sind in der Schaltungsträgerebene in den elektrisch leitfähigen Schichten geführte Ströme mit entgegengesetzter Polarität zueinander parallel geführt, so dass parasitäre Induktivitäten einander aufheben können. Der Phasenstrom ist in der Phasenstromschicht zum größten Teil in einer Schaltungsträgerhälfte geführt, so dass auch dadurch eine insbesondere weitgehende Entkopplung von den Stromversorgungsschichten, insbesondere der positiven Schicht 34 und 35 und der negativen Schicht 33, gebildet ist.
Die Verbindungselemente 45 und 46 decken die mit diesen jeweils unmittelbar stoffschlüssig verbundenen Halbleiterschalter jeweils vollständig ab, so dass die Halbleiterschalter zwischen dem Verbindungselement 45 beziehungsweise 46, und dem Schaltungsträger 32 - insbesondere nach Art eines Sandwich - eingeschlossen sind.
3 zeigt eine niederinduktive Kommutierzelle 50, mit einem Schaltungsträger 51. Der Schaltungsträger 51 weist eine elektrisch isolierende Keramikschicht 67 und elektrisch leitfähige Schichten, insbesondere Umverdrahtungsschichten auf.
Die Kommutierzelle weist zwei negative Schichten 53 und 54 auf, welche sich längserstreckend entlang einer Stromachse 60 gebildet sind und einen Teil einer Phasenstromschicht 52 und eine positive Stromschicht 55 zwischeneinander einschließen.
Die positive Stromschicht 55 ist U-förmig ausgebildet, wobei zwischen zwei U-Schenkeln der Stromschicht eine an die Phasenstromschicht angeformte Zunge 65 eingeschlossen ist. Die U-Schenkel der positiven Stromschicht und die Zunge 65 erstrecken sich jeweils entlang der Stromachse 60.
An die U-förmige positive Stromschiene 55 ist eine von dem U-Bogen abweisende Anschlussfläche 56 angeformt, die sich zwischen Anschlussflächen der negativen Stromschiene 53 und 54 erstreckt. Die Anschlussflächen sind jeweils im Bereich einer Stirnseite des Schaltungsträgers 51 angeordnet. Der Versorgungsstrom für die Kommutierzelle 50 kann so im Bereich einer Stirnseite des Schaltungsträgers 51 eingeleitet werden, und im Bereich einer dazu gegenüberliegenden Stirnseite an der Phasenstromschicht als insbesondere pulsweitenmodulierter Wechselstrom ausgeleitet werden.
Auf den die Phasenstromschicht flankierenden Teilen der negativen Stromschichten 53 und 54 sind elektrisch leitfähige Kontaktelemente, insbesondere Kupferblöcke angeordnet und mit der negativen Stromschicht stoffschlüssig und elektrisch verbunden, insbesondere verlötet oder versintert.
Die Kommutierzelle 50 weist auch vier Low-Side Halbleiterschalter auf, von denen ein Low-Side-Halbleiterschalter 59 beispielhaft bezeichnet ist. Die Low-Side-Halbleiterschalter sind jeweils mit einem Drain-Anschluss mit der Phasenstromschicht 52 verbunden und mit einem Source-Anschluss mittels eines die Low-Side-Halbleiterschalter und die Kontaktelemente 63 und 64 überdeckenden elektrisch leitfähigen Verbindungselements 61 mit den negativen Stromschienen 53 und 54 elektrisch verbunden. Dazu kann das Verbindungselement 61, beispielsweise ein Kupferblechstück, mit den Kontaktelementen 63 und 64 und den Low-Side-Halbleiterschaltern verlötet, versintert, oder verschweißt sein.
Die Low-Side-Halbleiterschalter können so das negative Batteriepotential bis zu den Kontaktelementen 63 und 64 entlang der Stromachse 60 empfangen, und den Phasenstrom entlang der Stromachse 60 über die Phasenstromschicht 52 ausgeben.
Die High-Side-Halbleiterschalter sind mit der U-förmigen positiven Stromschiene 55 verbunden, und dort jeweils gleichverteilt auf den U-Schenkeln der U-förmigen positiven Stromschicht 55 angeordnet, wobei ein Drain-Anschluss der High-Side-Halbleiterschalter mit der positiven Stromschicht 55 elektrisch verbunden ist.
Die Source-Anschlüsse der High-Side-Halbleiterschalter sind mittels eines Verbindungelements 62, insbesondere Kupferblechstück, elektrisch verbunden.
Die High-Side-Halbleiterschalter sind von dem Verbindungselement 62 abgedeckt, das sich auch über die der von der U-förmigen positiven Stromschicht 55 eingeschlossenen
Zunge 65 der Phasenstromschicht erstreckt und mit dem Verbindungselement, insbesondere Kupferblock, elektrisch verbunden ist. Die Source-Anschlüsse der High-Side-Halbleiterschalter sind so mittels des Kontaktelements 58 und des Verbindungselements 62 mit der Phasenstromschicht 52 elektrisch verbunden. Der Von den High-Side-Halbleiterschaltern erzeugte Phasenstrom kann so entlang der sich in Richtung der Stromachse 60 erstreckenden Zunge 65 unidirektional zu den übrigen in der Kommutierzelle fließenden Strömen zu einem Phasenausgang geleitet werden. Der Phasenausgang ist durch einen Randbereich der Phasenstromschicht 52 im Bereich einer Stirnseite des Schaltungsträgers 51 gebildet.
Bei der niederinduktiven Kommutierzelle 50 sind die Stromschichten 53 und 54 für ein negatives Versorgungspotential zu einer Stromschicht 55 für ein positives Versorgungspotential parallel geführt, und die Phasenstromschicht 52 längsabschnittsweise entlang der Stromachse 60 zu den negativen Stromschichten 53 und 54 und zur positiven Stromschicht 55 parallel geführt. Dadurch ist eine niederinduktive Anordnung gebildet, bei der parasitäre Induktivitäten einander aufheben können.
Die Stromschichten 53 und 54 für ein negatives Potential bilden dabei einen äußeren Rahmen, der die übrigen Stromschichten zwischeneinander einschließt.
Die negativen Stromschichten 53 und 54 können, wie gestrichelt in 3 gekennzeichnet, mittels eines als elektrisch leitfähige Schicht gebildeten Verbindungsbogens 66 miteinander verbunden sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102021202174 A1 [0002]

Claims

Kommutierzelle (1, 31, 50) für einen Inverter, wobei die Kommutierzelle (1, 31, 50) wenigstens insbesondere keramischen Schaltungsträger (2, 32, 51) und wenigstens eine mit dem Schaltungsträger (2, 32, 51) verbundene Halbleiterschalter-Halbbrücke (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 41, 42, 43, 44, 57, 59) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (2, 32, 51) eine elektrisch isolierende Schicht (26, 49, 67) und wenigstens eine mit der elektrisch isolierenden Schicht (26, 49, 67) verbundene elektrisch leitfähige Schicht (3, 4, 5, 6, 33, 34, 35, 36, 52, 53, 54, 55) aufweist, wobei wenigstens zwei elektrisch leitfähige Schichten (3, 4, 5, 33, 34, 35, 53, 54, 55) mit zueinander entgegengesetzter Polarität jeweils mit ihrer Längserstreckung in dieselbe Richtung (20, 30, 60) weisend und in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, und wenigstens eine oder beide der zwei der elektrisch leitfähigen Schichten von einem Stromversorgungsanschluss zu einem Schaltstreckenanschluss der Halbleiterschalter-Halbbrücke (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 41, 42, 43, 44, 57, 59) geführt ist, wobei der Schaltstreckenanschluss bonddrahtfrei kontaktiert ist.
Kommutierzelle (1, 31, 50) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Phasenausgangsanschluss (6, 28) aufweist und derart angeordnet ist, dass ein Phasenausgangsstrom entlang derselben Richtung (20, 30, 60) fließen kann.
Kommutierzelle (1, 31, 50) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Schaltungsträger (2, 32, 51) zwei zueinander parallel angeordnete Stromversorgungsschichten (4, 5, 34, 35, 53, 54) gebildet sind, die eine dazu komplementäre Stromversorgungsschicht (3, 33, 55) zwischeneinander einschließen.
Kommutierzelle (1, 31, 50) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei zueinander parallel angeordneten Stromversorgungsschichten (4, 5, 34, 35) jeweils durch eine positive Schicht gebildet sind.
Kommutierzelle (1, 31, 50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Längsabschnitt der Phasenstromschicht (6, 36) sich zwischen den positiven Schichten (4, 5, 34, 35) erstreckt.
Kommutierzelle (1, 31, 50) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenstromschicht (6, 36) auf einem Längsabschnitt U-förmig gebildet ist und die negative Stromschicht (3, 33) zwischen den U-Schenkeln der Phasenstromschicht (6, 36) eingeschlossen ist.
Kommutierzelle (1, 31, 50) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Längsabschnitt der negativen Stromversorgungsschicht (3, 33) sich zwischen zwei positiven Stromschichten (4, 5, 34, 35) erstreckt und ein weiterer daran ankoppelnder Längsabschnitt, insbesondere Endabschnitt der negativen Stromversorgungsschicht (3, 33) in die U-förmige Phasenstromschicht (6, 36) mündet.
Kommutierzelle (1, 31, 50) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Low-Side-Halbleiterschalter und High-Side-Halbleiterschalter der Halbleiterschalter-Halbbrücke (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 41, 42, 43, 44, 57, 59) mittels eines sich parallel zum Schaltungsträger (2, 32, 51) erstreckenden Verbindungselements (19, 21, 45, 46, 61, 62) und wenigstens eines Kontaktelements (24, 25, 38, 39, 40, 58, 63, 64), zum Führen des Phasenpotentials miteinander verbunden sind, wobei die Phasenstromschicht mittels wenigstens eines Kontaktelements mit dem Verbindungselement verbunden ist.
Kommutierzelle (1, 31, 50) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (19, 21, 45, 46, 61, 62) wenigstens eine Teil der Halbleiterschalter (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 41, 42, 43, 44, 57, 59) der Kommutierzelle, insbesondere Low-Side-Halbleiterschalter oder High-Side-Halbleiterschalter zwischeneinander einschließen.
Kommutierzelle (1, 31, 50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Low-Side-Halbleiterschalter (11, 12, 13, 14) und die High-Side-Halbleiterschalter (15, 16, 17, 18) jeweils auf zueinander verschiedenen Hälften (22, 23, 47, 48) des Schaltungsträgers (2, 32, 51) angeordnet sind.
Kommutierzelle (1, 31, 50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (2, 32, 51) einen Stromeingangsanschluss (27, 3, 4, 5) und einen Phasenausgangsanschluss (28, 6) aufweist, welche auf dem Schaltungsträger (2, 32, 51) entlang der Richtung (20, 30, 60) voneinander beabstandet sind.
Kommutierzelle (1, 31, 50) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromeingangsanschluss (27, 3, 4, 5) und der Phasenausgangsanschluss (28, 6) die Halbleiterschalter-Halbbrücke (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 41, 42, 43, 44, 57, 59) zwischeneinander einschließen.
Kommutierzelle (1, 31, 50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Low-Side-Halbleiterschalter (15, 16, 17, 18) der Halbleiterschalter-Halbbrücke im Bereich des Phasenanschlusses angeordnet ist und ein High-Side-Halbleiterschalter (11, 12, 13, 14) der Halbleiterschalter-Halbbrücke im Bereich des Stromversorgungsanschlusses (27) angeordnet ist.
Mehrphasiger Inverter mit wenigstens drei Kommutierzellen (1, 31, 50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Inverter für jede Phase wenigstens eine oder nur eine Kommutierzelle (1, 31, 50) aufweist, und eine mit den Kommutierzellen (1, 31, 50) verbundene Verarbeitungseinheit, die ausgebildet ist, die Kommutierzellen (1, 31, 50) zum Erzeugen eines Phasenwechselstroms anzusteuern.