DE102023206617A1

DE102023206617A1 - Inverteraufbau eines Inverters eines Leistungselektronikmoduls zum Betreiben eines elektrischen Antriebs eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102023206617A1
Application number: DE102023206617.3A
Authority: DE
Inventors: Ake Ewald
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-08-26
Filing date: 2023-07-12
Publication date: 2024-02-29
Also published as: CN117639435A; US20240072708A1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Inverteraufbau eines Inverters eines Leistungselektronikmoduls zur Ansteuerung eines elektrischen Antriebs eines Kraftfahrzeugs, wobei der Inverter aufweist: mindestens eine Phase, und zwei einander gegenüberliegende Treiberplatinen, und mindestens eine zwischen den Treiberplatinen angeordnete und damit elektrisch und/oder signaltechnisch kontaktierte Halbbrücke mit je einem als Highside-Schalter gebildeten Halbleiter-Package, und einem parallel dazu angeordneten und als Lowside-Schalter gebildeten Halbleiter-Package, wobei die Highside-Schalter einen Highside-Strang und die Lowside-Schalter einen Lowside-Strang bilden, und mindestens einen im Bereich der Halbbrücken und mit einer an einer Unterseite jedes Halbleiter-Packages befindlichen Kühlanbindung thermisch leitend verbundenen Kühlkörper, wobei der Kühlkörper derart geteilt ausgeführt ist, dass mindestens ein erster Kühlstrang davon im Highside-Strang und mindestens ein zweiter Kühlstrang davon im Lowside-Strang angeordnet ist, wobei der erste Kühlstrang des Highside-Strangs und der zweite Kühlstrang des Lowside-Strangs mit Abstand zueinander angeordnet sind, und der erste Kühlstrang und der zweite Kühlstrang in einem Bereich außerhalb der Anordnung der Halbleiter-Packages fluidtechnisch parallel oder seriell miteinander verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Elektronikmodule für einen elektrischen Antrieb.
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. Ein prominentes Beispiel für solche Elektronikmodule stellen DC/AC-Wechselrichter (Inverter) dar, die dazu dienen, elektrische Maschinen wie Elektromotoren oder Generatoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Zu diesem Zweck umfassen die Elektronikmodule eine Vielzahl von Elektronikbauteilen, mit denen Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) realisiert werden, beispielsweise Halbleiterleistungsschalter, die auch als Leistungshalbleiter bezeichnet werden.
In bisher bekannten Anordnungen von Invertern sind Leistungshalbleiter, also Halbleiterleistungsschalter in Form von Highside-Schaltern HS bzw. Lowside-Schaltern LS, die zusammen eine Halbbrücke bilden, ausgehend von dem Zwischenkreis-Kondensator hintereinander angeordnet. Das heißt, sie sind nicht nebeneinander angeordnet, sondern liegen sich mit ihren elektrischen Kontaktanschlüssen, an denen der AC-Strom abgenommen wird, gegenüber, so dass z.B. der elektrische Kontaktanschluss des HS näher am Zwischenkreis ist als der des LS.
Inverter im Automobilbau müssen an verschiedene Leistungsklassen im Fahrzeug angepasst werden. Dies führt dazu, dass unterschiedliche Ströme durch den Inverter bereitgestellt werden müssen. Es ist in vielen Fällen ökonomisch nicht sinnvoll, für jede Leistungsklasse ein angepasstes Modul mit der zugehörigen Leistungselektronik zu entwerfen. Aus diesem Grund werden entweder diskrete Leistungsschalter oder mehrere Leistungsmodule parallel verwendet, um die benötigte Leistungsklasse zu erreichen. Beispielsweise werden mehrere Halbbrücken, z.B. vier je elektrischer Phase, nebeneinander angeordnet, so dass der Inverter insgesamt zwölf Halbbrücken „lang“ wird. Nachteilig ist hier, dass der Inverter bei mehreren parallelen Modulen sehr stark in einer Dimension wächst.
Ferner gibt es bereits Ansätze, zwei Leistungselektronikmodule parallel zu schalten, die je Phase einander gegenüberliegend auf dem Kühlkörper angeordnet sind. Ein Nachteil dieser Anordnung ist, dass in dieser Variante nur maximal zwei parallel-geschaltete Leistungselektronikmodule (kurz auch Modul) möglich sind, ohne dass der Inverter deutlich länger wird. Des Weiteren ist nur eine geradzahlige Modulanzahl möglich. Nachteilig ist außerdem, dass eine komplexe Montage der Bauteile notwendig ist, weil dort mehrere DC- und AC-Anschlusspositionen abgegriffen werden müssen.
Da es immer noch Verbesserungsbedarf im Aufbau des Inverters gibt, liegt der Erfindung daher die Aufgabe zu Grunde, die beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Diese Aufgabe wird gelöst durch den beschriebenen Aufbau eines Inverters und die Verwendung eines solchen in einem Fahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Vorgeschlagen wird ein Inverteraufbau eines Inverters eines Leistungselektronikmoduls zur Ansteuerung eines elektrischen Antriebs eines Kraftfahrzeugs, wobei der Inverter aufweist: mindestens eine Phase, und zwei einander gegenüberliegende Treiberplatinen, und mindestens eine zwischen den Treiberplatinen angeordnete und damit elektrisch und/oder signaltechnisch kontaktierte Halbbrücke mit je einem als Highside-Schalter gebildeten Halbleiter-Package, und einem parallel dazu angeordneten und als Lowside-Schalter gebildeten Halbleiter-Package, wobei die Highside-Schalter einen Highside-Strang und die Lowside-Schalter einen Lowside-Strang bilden, und mindestens einen im Bereich der Halbbrücken und mit einer an einer Unterseite jedes Halbleiter-Packages befindlichen Kühlanbindung thermisch leitend verbundenen Kühlkörper, wobei der Kühlkörper derart geteilt ausgeführt ist, dass mindestens ein erster Kühlstrang davon im Highside-Strang und mindestens ein zweiter Kühlstrang davon im Lowside-Strang auf den zugehörigen Halbleiter-Packages angeordnet ist. Der erste Kühlstrang des Highside-Strangs und der zweite Kühlstrang des Lowside-Strangs sind mit Abstand zueinander angeordnet, und der erste Kühlstrang und der zweite Kühlstrang sind in einem Bereich außerhalb der Anordnung der Halbleiter-Packages fluidtechnisch parallel oder seriell miteinander verbunden..
Der Kühlköper ist günstigerweise zum Durchfluss eines Kühlmittels ausgebildet, beispielsweise einer Flüssigkeit oder eines Gases. Bei einer parallelen Verbindung der Kühlstränge wird das Kühlmittel aufgeteilt, wobei ein Teil des Kühlmittels den einen Kühlstrang durchströmt und der andere Teil des Kühlmittels den anderen Kühlstrang durchströmt. Bei einer seriellen Verbindung der Kühlstränge durchströmt das Kühlmittel zunächst den einen Kühlstrang und darauffolgend den anderen Kühlstrang.
In einer Ausführung weist im Falle mehrerer Phasen jeder Kühlstrang zwischen den Phasen eine Befestigung an einer der Treiberplatinen auf.
In einer Ausführung ist jeder Kühlstrang derart dimensioniert, dass seine Breite maximal der Länge der Kühlanbindung zwischen AC- und DC-Abgriff des Halbleiter-Packages entspricht.
In einer Ausführung sind die Halbleiter-Packages parallel zueinander angeordnet und alle parallelen Halbleiter-Packages einer Phase sind auf derselben Seite des zugehörigen Kühlstrangs angeordnet.
In einer Ausführung weist der Inverter drei Phasen auf, und wobei an einem Bereich eines Kühlstrangs, an dem kein Halbleiter-Package vorhanden ist, eine zusätzliche Phase vorgesehen ist.
In einer Ausführung ist an einem Bereich des Kühlstrangs, an dem kein Halbleiter-Package vorhanden ist, mindestens ein weiteres Bauelement thermisch leitend mit dem Kühlstrang verbunden, das dazu eingerichtet ist, eine aktive oder passive Entladung bereitzustellen.
In einer Ausführung sind Halbleiter-Packages eines Strangs auf einander gegenüberliegenden Seiten von Kühlkörpern des jeweiligen Kühlstrangs angeordnet.
In einer Ausführung sind AC-Abgriffe der Halbleiter-Packages der Lowside und der Highside an einem gemeinsamen Anschlusspunkt verbunden.
In einer Ausführung sind je Phase eine, zwei, drei oder vier Halbbrücken vorgesehen.
In einer Ausführung sind die Halbleiter-Packages derart angeordnet, dass ihr DC-Anschluss zu einem damit zu verbindenden Zwischenkreiskondensator weist, oder wobei die DC-Anschlüsse einen Winkel von im Wesentlichen 90 Grad zum damit zu verbindenden Zwischenkreiskondensator aufweisen.
In einer Ausführung sind Halbleiter-Packages auf einander gegenüberliegenden Seiten von Kühlkörpern des zugehörigen Kühlstrangs angeordnet, und eine Bauhöhe des Kühlkörpers ist derart gewählt, dass DC-Stromschienen der Halbleiter-Packages an einem gemeinsamen Anschlusspunkt verbunden sind und mit einem Zwischenkreis elektrisch kontaktiert werden können.
Ferner wird die Verwendung eines Inverteraufbaus eines Inverters in einem Leistungselektronikmodul zur Ansteuerung eines elektrischen Antriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Kraftfahrzeugs vorgeschlagen.
Ferner wird ein Leistungselektronikmodul mit einem Inverter mit dem beschriebenen Inverteraufbau vorgeschlagen. Ebenso werden ein elektrischer Antrieb, insbesondere elektrischer Achsantrieb, für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer elektrischen Maschine, einer Getriebeeinrichtung und dem Leistungselektronikmodul, sowie ein Kraftfahrzeug mit dem elektrischen Antrieb vorgeschlagen.
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.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

1 zeigt eine schräge Ansicht eines Leistungselektronikmoduls mit einem Inverter mit vier Phasen gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine schräge Ansicht eines Schnittes entlang der Linie A-A des in 1 gezeigten Leistungselektronikmoduls.
3-5 zeigen schematische Ansichten auf einen Highside- bzw. Lowside-Strang von Seite des DC- oder des AC-Abgriffs gemäß unterschiedlichen Ausführungen der vorliegenden Erfindung.
6-8 zeigen schematische Ansichten von Stromschienenanordnungen gemäß unterschiedlichen Ausführungen der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt ein Kraftfahrzeug mit einem Inverter und einem Leistungselektronikmodul gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.

In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Wie bereits eingangs erwähnt, ist es ein Ziel dieser Erfindung, einen verbesserten Inverteraufbau eines Inverters 1 eines Leistungselektronikmoduls 100 zur Ansteuerung eines elektrischen Antriebs eines Kraftfahrzeugs 200 bereitzustellen.
Dabei bietet der nachfolgend beschriebene Inverteraufbau mehrere Vorteile, nämlich einerseits, dass gegenüber Lösungen im Stand der Technik eine beidseitige Bestückung des Kühlkörpers 10 ermöglicht wird ohne zusätzlichen Bauraum in der Inverterhöhe zu benötigen. Außerdem dienen die zwei getrennten Kühlstränge 103, 104 für Highside- und Lowside-Schalter zur Minimierung der Luft- und Kriechstreckenproblematik. Auch wächst die „Länge“ des Inverters 1 bei einer höheren Parallelisierung langsamer als im Stand der Technik, wobei eine Anbindung an den Zwischenkreis(kondensator) 106 vergleichbar zum Stand der Technik realisierbar ist. Ferner kann die Anbindung der DC-Stromschienen DC zum Zwischenkreis 106 ebenso wie die AC-Anbindung der AC-Stromschienen AC auf der gleichen Höhe erfolgen.
Zuerst wird der grundsätzliche Aufbau des Leistungselektronikmoduls 100 unter Bezugnahme auf die 1 und 2 (Schnitt entlang A-A in 1) beschrieben. Das Leistungselektronikmodul 100 weist zwei einander gegenüberliegende Treiberplatinen 101 auf, sowie mindestens eine zwischen den Treiberplatinen 101 angeordnete und damit elektrisch und/oder signaltechnisch kontaktierte Halbbrücke 102 mit je einem als Highside-Schalter und einem als Lowside-Schalter gebildeten Halbleiter-Package 11, 12. Nachfolgend wird von „den Halbbrücken 102“ gesprochen, wobei auch lediglich eine einzige Halbbrücke 102 darunter zu verstehen ist.
Ferner sind Stromschienen DC und AC zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiter-Packages 11, 12 zwischen den Treiberplatinen 101 vorgesehen. Die Highside-Schalter bilden einen Highside-Strang und die Lowside-Schalter bilden einen Lowside-Strang. Die Leistungsschalter (Lowside-Schalter und Highside-Schalter) jeder Halbbrücke 102 sind parallel zueinander angeordnet und verschaltet. Vorteilhaft weisen ihre AC-Abgriffe zueinander (in 1 zwischen den Leistungsschaltern 11 und 12 und den darauf angeordneten Kühlsträngen 103, 104), während die DC-Abgriffe jeweils auf eine gegenüberliegende Außenseite weisen. Die DC- Stromschienen DC und die AC-Stromschiene AC sind dann derart mit den Abgriffen verbunden verbunden, dass sie einander gegenüberliegend angeordnet sind, d.h. jeweils in entgegengesetzte Richtungen aus dem Leistungselektronikmodul 100 weisen (in 1 links die AC-Stromschiene und rechts die DC-Sirromschienen).
Vorteilhaft sind die Halbbrücken 102 derart positioniert, dass die DC-Stromschienen DC in Richtung des Zwischenkreises 106 weisen, um eine möglichst kurze Verbindung zu realisieren. In einer alternativen Ausführung können die Halbbrücken 102 aber auch um 90 Grad gedreht sein, wobei hier dann ein geeignetes Verschienungskonzept der Stromschienen DC, AC, wie z.B. in 7 und 8 gezeigt, von Vorteil ist.
Die Halbleiter-Packages 11, 12 weisen auf einer ihrer (großen) Flächen, nachfolgend als Unterseite bezeichnet, eine Kühlanbindung 111, 121 auf. Diese Kühlanbindung 111, 121 dient der konduktiven, also thermischen Anbindung des Kühlkörpers 10, insbesondere durch Anlagekontakt. Die Kühlanbindung 111, 121 dient der thermischen Leitung zur Abfuhr von Abwärme von den Halbleiter-Packages 11, 12 in den Kühlkörper 10. Die Kühlanbindung 111, 121 weist eine vorgegebene Länge und Breite auf, wobei die Breite in diesem Zusammenhang als die Breite zwischen den Abgriffen jedes Halbleiter-Packages 11, 12 definiert ist. Die Breite ist in der Regel kleiner als die Breite des Halbleiter-Packages 11, 12.
Wie bereits erwähnt, ist auf den Halbleiter-Packages 11, 12 ein Kühlkörper 10 vorgesehen. Dieser ist allerdings nicht, wie übliclh, als ein einziger Kühlkörper 10 über alle Halbleiter-Packages 11, 12 gebildet, sondern in zwei voneinander im Bereich zwischen den Halbleiter-Packages 11, 12 der Halbbrücke(n) 102 beabstandete Kühlstränge 103, 104 aufgeteilt, wie in 1 und 2 zu sehen. Es ist also keine vollflächige Kühlplatte vorgesehen. Einer der Külhlstränge 103, 104 ist dem Lowside-Strang (in 1 und 2 der Kühlstrang 104) und damit den entsprechenden Halbleiter-Packages 12 zugeordnet, und der andere ist dem Highside-Strang (in 1 und 2 der Kühlstrang 103) und damit den entsprechenden Halbleiter-Packages 11 zugeordnet, d.h. mit den Kühlanbindungen 111, 121 der jeweiligen Halbleiter-Packages 11, 12 konduktiv verbunden. In einer Ausgestaltung ist entlang des jeweiligen Kühlstrangs 103, 104 zumindest teilweise beidseitig eine Mehrzahl von Halbleiter-Packages 11, 12 angeordnet. Der Kühlstrang 103 ist also zumindest teilweise zwischen zwei einander gegenüberliegenden Halbleiter-Packages 11 angeordnet. Der Kühlstrang 104 ist also zumindest teilweise zwischen zwei einander gegenüberliegenden Halbleiter-Packages 12 angeordnet. Vorzugsweise sind mehrere Halbleiter-Packages 11, 12 jeweils paarweise einander gegenüberliegend an dem jeweiligen Kühlstrang 103, 104 angeordnet. Günstigerweise sind alle an einem Kühlstrang angeordnete Halbleiter-Packages entweder Teil des Highside-Strangs oder Teil des Lowside-Strangs.
Wie in 10 verdeutlicht, sind in einer bevorzugten Ausführung Halbleiterpackages 11, 12 zweier Phasen U, V auf einer Seite eines Kühlstrangs 103, 104, und Halbleiterpackages 11, 12 einer dritten Phase W auf der gegenüberliegenden Seite des Kühlstrangs 103, 104 angeordnet. Somit kann ein Drittel der bisher benötigten Breite des Leistungselektronikmoduls 100 eingespart werden. Die Seite des Kühlstrangs 103, 104, auf welcher zwei Phasen U, V angeordnet sind, ist dabei vorzugsweise voll, also über die gesamte Länge des Kühlstrangs 103, 104, mit Halbleiterpackages 11, 12 belegt. Die gegenüberliegende Seite kann dabei voll, also über die gesamte Länge des Kühlstrangs 103, 104, oder teilweise mit der dritten Phase W belegt sein. Sofern sie nur teilweise belegt ist, ist Platz für weitere Komponenten auf dem Kühlstrang 103, 104 frei. Solche weiteren Komponenten können eine vierte Phase X als Erregungsphase einer FSM, oder andere, zu kühlende Bauteile sein, wie unten beschrieben.
Wie in 10 angedeutet, kann eine unterschiedliche Anzahl an Halbleiterpackages 11, 12 je Phase U, V, W vorgesehen sein.
Die AC-Stromschienen der Phasen U, V, deren Halbleiterpackages 11, 12 auf derselben Seite des Kühlstrangs 103, 104 angeordnet sind, müssen nicht, wie in den Figuren dargestellt, direkt nebeneinander liegen, während die AC-Stromschiene der Phase W, die auf der gegenüberliegenden Seite des Kühlstrangs 103, 104 liegt, ganz außen liegt. Vielmehr kann sie je nach verfügbarem Bauraum angeordnet werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn sie (AC-Stromschiene der Phase W in 10) mittig zwischen den anderen beiden (AC-Stromschiene der Phasen U und V in 10) liegen würde, um eine symmetrische Anbindung zum Zwischenkreis 106 bereitzustellen.
Die Kühlstränge 103, 104 sind im Bereich zwischen den Halbbrücken 102, also im Bereich der zueinander weisenden AC-Abgriffe der parallel geschalteten Halbleiter-Packages 11, 12, voneinander beabstandet (in einem Abstand zueinander angeordnet) und dort nicht miteinander verbunden. Der Kühlkörper 10, genauer jeder Kühlstrang 103, 104, ist vorteilhaft derart gebildet, dass er in seinem Inneren ein Kühlmittel in Form einer Flüssigkeit oder eines Gases führt, das zur Wärmeableitung dient. Zur Herstellung eines Fluid-Kreislaufs weisen die Kühlstränge einen Zu- und einen Ablauf auf. Jeder der Kühlstränge kann einen eigenen Zu- und Ablauf aufweisen. Vorteilhaft sind Zu- und Ablauf in einem Bereich außerhalb der Halbleiter-Packages 11, 12 miteinander fluidtechnisch parallel oder seriell verbunden (nicht gezeigt). Die genaue Art der Verbindung wird der Fachmann je nach Ausgestaltung des Inverters wählen.
Die Breite jedes Kühlstrangs 103, 104 entspricht maximal der Breite der Kühlanbindung 111, 121, wie in 1 und 2 zu sehen. Die Länge hängt davon ab, ob der Kühlstrang 103, 104 durchgängig über alle Phasen U, V, W des Inverters 1 gebildet ist, oder ob er geteilt je Phase U, V, W vorgesehen ist. Außerdem hängt die Länge von der Anzahl der verwendeten Halbleiter-Packages 11, 12 ab. Ein durchgängiger Kühlstrang 103, 104, wie in 1 gezeigt, umfasst einen Zulauf und einen Ablauf sowie eine dazwischen liegenden Kontaktierungsbereich, der für die thermische Kontaktierung der Halbleiter-Packages 11 bzw. 12 geeignet ist. Ein geteilter Kühlstrang umfasst einen Zulauf und einen Ablauf sowie mehrere dazwischenliegende Kontaktierungsbereiche, die zur thermischen Kontaktierung der der Halbleiter-Packages 11 bzw. 12 geeignet sind, sowie Verbindungsabschnitte, welche die verschiedenen Kontaktierungsbereiche miteinander verbinden. Ein durchgängiger Kühlstrang 103, 104 ist vorzugsweise einteilig ausgebildet. Ein geteilter Kühlstrang kann sowohl einteilig als auch mehrteilig ausgebildet sein. Wenn der Kühlstrang 103, 104 geteilt pro Phase U, V, W und mehrteilig pro Highside- bzw. Lowside-Strang gebildet ist, sind die einzelnen Teile des Kühlstrangs 103 fluidtechnisch miteinander verbunden und die einzelnen Teile des Kühlstrangs 104 sind fluidtechnisch miteinander verbunden, wie in 3 bis 5 schematisch angedeutet. Die beiden Kühlstränge 103, 104 sind aber weiterhin lediglich außerhalb der Halbbrücken 102 miteinander fluidtechnisch verbunden.
Im Falle, dass mehrere Phasen U, V, W vorhanden sind, kann jeder Kühlstrang 103, 104 bzw. jeder Teil eines Kühlstrangs 103, 104 zwischen den Phasen U, V, W eine Befestigung an einer der Treiberplatinen 101 aufweisen, um Vibrationen im System vorzubeugen.
Die Anordnung der Halbleiter-Packages 11, 12 je Phase U, V, W erfolgt in einer Ausführung auf derselben oder beiden Seiten des Kühlkörpers 10.Dabei kann ein Teilbereich des Kühlkörpers 10 frei bleiben und für andere zu kühlende Bauteile 105 verwendet werden, wie z.B. Bauteile für eine passive oder aktive Entladung (RAD). Außerdem kann eine zusätzliche Phase X (in 1 und 2 eine vierte Phase) vorgesehen werden, um z.B. eine FSM (fremderregte Synchronmaschine) einzusetzen. Eines oder mehrere Halbleiter-Packages dieser zusätzlichen Phase X sind jedoch nicht zum Betrieb des elektromotorischen Antriebs vorgesehen. Stattdessen dient diese zusätzliche Phase X zum Betrieb anderer elektronischer Komponenten an dem Fahrzeug. Vorteilhaft ist hierbei, dass alle Halbleiter eines topologischen Schalters mit demselben Treiberbaustein geschaltet werden können.
Alternativ können, wie in 3 bis 5 (Ansicht auf den Lowside-Strang und Kühlstrang 104 von der Seite des AC-Abgriffs aus 1) schematisch angedeutet, auch Halbleiter-Packages 11, 12 einer oder mehrerer Phasen U, V, W (mit zugehörigen Halbleiterpackages U1-3; V1-3; W1-3) auf beiden Seiten, also einander gegenüberliegenden Seiten (Oberflächen) von Kühlkörpern 10, des jeweiligen Kühlstrangs 103, 104 angeordnet sein, wobei stets Lowside-Schalter im Lowside-Kühlstrang 104 und Highside-Schalter im Highside-Kühlstrang 103 angeordnet sind. In 3 bis 5 sind Ausführungen gezeigt, in denen drei Phasen U, V, W vorhanden sind, was auch die bevorzugte Anzahl an Phasen darstellt. In 3 sind zwei Kühlkörper im Kühlstrang 104 vorgesehen, von denen einer zu einer einzelnen Phase W und der andere zu zwei Phasen U, V zugehörig ist. In 4 sind zwei Kühlkörper im Kühlstrang 104 vorgesehen, von denen einer zu einer einzelnen Phase U und der andere zu einer weiteren einzelnen Phase W zugehörig ist, wobei beide Kühlkörper 10 auch zu Phase V zugehörig sind, so dass Phase V zu zwei Kühlkörpern 10 zugeordnet ist. In 5 ist ein Kühlkörper 10 je Phase U, V, W vorgesehen. Die Halbleiter-Packages 11, 12 sind mit der Treiberplatine 101 der jeweiligen Seite des Kühlstrangs 104 kontaktiert.
Grundsätzlich und unabhängig von den erläuterten Ausführungsbeispielen sind unter anderem die folgenden Ausgestaltungen dieses Abschnitts von besonderem Vorteil. Alle Halbleiter-Packages 11, 12 einer Phase U, V, W sind auf einer Seite des Kühlstrangs 103, 104 angeordnet. Die Halbleiter-Packages 11, 12 einer Phase U, V, W sind einander gegenüberliegend angeordnet, beispielsweise paarweise einander gegenüber angeordnet, also auf gegenüberliegenden Seiten eines Kühlstrangs 103, 104. Die Anzahl der Halbleiter-Packages 11, 12 einer Phase U, V, W auf den gegenüberliegenden Seiten des Kühlstrangs 103, 104 sind gleich oder unterschiedlich. Insbesondere ist die Anzahl bei beidseitig an einem Kühlstrang 103, 104 angeordneten Halbleiter-Packages 11, 12 einer Phase U, V, W auf einer Seiter größer 1 oder größer 2 als auf der anderen Seite. Alle Halbleiter-Packages 11, 12 einer Phase U, V, W sind bei einem geteilten Kühlstrang 103, 104 an demselben oder an mehreren Kontaktierungsbereichen angeordnet.
Die Kühlstränge 103, 104 des Kühlkörpers 10 zeichnen sich durch eine minimale Bauhöhe aus. Somit ist die Gesamthöhe dieser Geometrie vergleichbar zu einem Inverteraufbau gemäß dem Stand der Technik. Allerdings wird hierdurch eine um etwa 30% höhere Leistungsdichte auf Power Stage Ebene ermöglicht.
Durch den vorgeschlagenen Aufbau und die daraus resultierende niedrige Bauweise des Kühlsystems 10; 103, 104 können die lastleitenden Busbars (DC-Stromschienen DC) im Bereich des Zwischenkreises 106 zu einem gemeinsamen Anschlusspunkt A1 zusammengefasst werden, wie in 2, 6 und 8 angedeutet.
Auch kann der AC-Stromschienenbereich einen gemeinsamen Anschlusspunkt A2 aufweisen, wie in 6 und 8 angedeutet. Hier kann auch (in 6 nicht gezeigt) anstatt einer Verbindung über die Außenseiten der Halbbrücken 102 eine Verbindung zwischen den Halbbrücken 102 erfolgen, sofern die Befestigung möglich ist.
In einer alternativen Ausführung, wie in 7 in Ansicht aus Blickrichtung Zwischenkreis 106 und in 8 als seitliche Ansicht (entsprechend der Ansicht von 6) dargestellt, können die Halbleiter-Packages 11, 12 auch um 90 Grad gedreht angeordnet sein, wobei dann eine höhere Anzahl an Kühlkörpern 10 benötigt wird (sechs bei einem dreiphasigen System).
Die Highside-Schalter bzw. Lowside-Schalter der Halbbrücken 102 umfassen einen oder mehrere Leistungshalbleiterbauteile, wie IGBT oder MOSFET. Die aus den Halbbrücken 102 gebildete Brückenschaltung ist mit den Treiberplatinen 101 elektrisch undloder signaltechnisch kontaktierbar, sodass die Leistungsschalter mittels auf der Bestückungsseite der Leiterplatte der jeweiligen Treiberplatine 101 vorhandener elektrischer Kontakte mit einem Steuergerät wie einem Electronic Control Unit (ECU) des Kraftfahrzeugs 200 elektrisch und/oder signaltechnisch verbindbar sind. Das Steuergerät ist daher in der Lage, die Leistungsschalter 11 bzw. 12 zwecks Betreiben des elektrischen Antriebs, insbesondere zwecks Bestromen der E-Maschine, eines mit einem entsprechenden Antrieb ausgestatteten Kraftfahrzeugs 200 anzusteuern. Die Leiterplatte kann eine Platine (z. B. PCB) oder eine flexible Leiterplatte aufweisen.
In den Figuren ist eine Ausführung eines Aufbaus eines Leistungselektronikmoduls 100 mit einem Inverter 1 mit vier Phasen U, V, W, X (1), einer Phase U ( 2) und drei Phasen U, V, W (3 bis 5), sowie zwei bzw. drei Halbbrücken 102 dargestellt, um das Prinzip der Erfindung zu verdeutlichen. Es können aber auch mehr oder weniger Phasen vorgesehen sein, z.B. zwei oder drei oder ein Vielfaches davon, z.B. sechs, neun, zwölf etc. Auch kann ein B6-Modul realisiert werden. Auch können mehr oder weniger Halbbrücken 102 vorgesehen sein.
Ferner können verschiedene Leistungshalbleiter verwendet werden, z.B. Si-IGBT, SiC-MOSFET, SiC Kaskode, GaN. Ebenso können mehrere unterschiedliche Halbleitertypen gleichzeitig innerhalb des Leistungselektronikmoduls 100 eingesetzt werden, z.B. Si-IGBT und SiC-MOSFET.
Ein Leistungselektronikmodul 100 im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektromotors eines mittels Akkumulator oder Brennstoffzelle angetriebenen Kraftfahrzeugs 200, wie in 9 angedeutet. Das Kraftfahrzeug 200 ist insbesondere ein Nutzfahrzeug wie ein LKW oder ein Bus, oder ein Personenkraftwagen. Das Leistungselektronikmodul 100 umfasst einen DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter 1) mit dem beschriebenen Aufbau. 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 Leistungselektronikmodul 100 zum Bestrornen 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. Ein DC/DC-Wandler dient beispielsweise dazu, einen von einer Brennstoffzelle kommenden Gleichstrom in einen von dem Antrieb nutzbaren Gleichstrom zu wandeln (hochzusetzen).
DC/DC-Wandler und Inverter 1 für elektrische Antriebe (kurz Elektroantriebe) von Kraftfahrzeugen 200, insbesondere PKW und NKW, sowie Bussen, sind für den Hochvoltbereich ausgelegt und sind insbesondere in einer Sperrspannungsklasse von ab ca. 650 Volt ausgelegt.
Anwendung findet die beschriebene Inverteranordnung beispielsweise in Kraftfahrzeugen 200. Das Kraftfahrzeug 200 kann insbesondere eine elektrisch angetriebene Achse aufweisen. Das Kraftfahrzeug 200 kann grundsätzlich als rein verbrennungsmotorisches Kraftfahrzeug 200, als Hybrid-Kraftfahrzeug oder als Elektrofahrzeug ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste

1: Inverter
100: Leistungselektronikmodul
200: Kraftfahrzeug
101: Treiberplatinen
102: Halbbrücke
11, 12: Halbleiter-Package HighsidelLowside
111, 121: Kühlanbindung
10: Kühlkörper
103, 104: Kühlstränge
105: weitere, zu kühlende Bauteile
106: Zwischenkreis
DC: DC-Stromschienen
AC: AC-Stromschienen
A1, A2: gemeinsamer Anschlusspunkt DC bzw. AC
U, V, W, X: Phasen

Claims

Inverteraufbau eines Inverters (1) eines Leistungselektronikmoduls (100) zur Ansteuerung eines elektrischen Antriebs eines Kraftfahrzeugs (200), wobei der Inverter (1) aufweist: - mindestens eine Phase (U, V, W), und - zwei einander gegenüberliegende Treiberplatinen (101), und - mindestens eine zwischen den Treiberplatinen (101) angeordnete und damit elektrisch und/oder signaltechnisch kontaktierte Halbbrücke (102) mit je einem als Highside-Schalter gebildeten Halbleiter-Package (11), und einem parallel dazu geschalteten und als Lowside-Schalter gebildeten Halbleiter-Package (12), wobei die Highside-Schalter einen Highside-Strang und die Lowside-Schalter einen Lowside-Strang bilden, und - mindestens einen im Bereich der Halbbrücken (102) und mit einer an einer Unterseite jedes Halbleiter-Packages (11, 12) befindlichen Kühlanbindung (111, 121) thermisch leitend verbundenen Kühlkörper (10), wobei der Kühlkörper (10) derart geteilt ausgeführt ist, dass mindestens ein erster Kühlstrang (103) davon im Highside-Strang und mindestens ein zweiter Kühlstrang (104) davon im Lowside-Strang angeordnet ist, wobei der erste Kühlstrang (103) des Highside-Strangs und der zweite Kühlstrang (104) des Lowside-Strangs mit Abstand zueinander angeordnet sind, und der erste Kühlstrang (103) und der zweite Kühlstrang (104) in einem Bereich außerhalb der Anordnung der Halbleiter-Packages (11, 12) fluidtechnisch parallel oder seriell miteinander verbunden sind.
Inverteraufbau eines Inverters (1) nach Anspruch 1, wobei im Falle mehrerer Phasen jeder Kühlstrang (103, 104) einteilig oder mehrteilig gebildet ist und zwischen den Phasen (U, V, W) eine Befestigung an einer der Treiberplatinen (101) aufweist.
Inverteraufbau eines Inverters (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeder Kühlstrang (103, 104) derart dimensioniert ist, dass seine Breite maximal der Länge der Kühlanbindung (111, 121) zwischen AC- und DC-Abgriffdes Halbleiter-Packages (11, 12) entspricht.
Inverteraufbau eines Inverters (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiter-Packages (11, 12) einer Phase (U, V, W) auf derselben Seite oder auf einander gegenüberliegenden Seiten des zugehörigen Kühlstrangs (103, 104) angeordnet sind.
Inverteraufbau eines Inverters (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Inverter (1) drei Phasen (U, V, W) aufweist, und wobei Halbleiter-Packages (11, 12) von zwei Phasen (U, V) auf einer Seite des Kühlstrangs (103, 104) angeordnet sind, und Halbleiter-Packages (11, 12) der dritten Phase (W) auf einer gegenüberliegenden Seite des Kühlstrangs (103, 104) angeordnet sind.
Inverteraufbau eines Inverters (1) nach Anspruch 5, wobei an einem Bereich eines Kühlstrangs (103, 104), an dem kein Halbleiter-Package (11, 12) vorhanden ist, eine zusätzliche Phase (X) vorgesehen ist, oder wobei an einem Bereich des Kühlstrangs (103, 104), an dem kein Halbleiter-Package (11, 12) vorhanden ist, mindestens ein weiteres Bauelement (105) thermisch leitend mit dem Kühlstrang (103, 104) verbunden ist, das dazu eingerichtet ist, eine aktive oder passive Entladung bereitzustellen.
Inverteraufbau eines Inverters (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei AC-Stromschienen jeder Phase (U, V, W) nebeneinander derart angeordnet sind, dass AC-Stromschienen der Phasen (U, V), deren Halbleiter-Packages (11, 12) auf derselben Seite des Kühlstrangs (103, 104) angeordnet sind, benachbart zueinander sind, oder wobei eine AC-Stromschienen der Phase (W), deren Halbleiter-Packages (11, 12) auf der gegenüberliegenden Seite des Kühlstrangs (103, 104) angeordnet sind, zwischen AC-Stromschienen der Phasen (U, V) angeordnet ist, deren Halbleiter-Packages (11, 12) auf derselben Seite des Kühlstrangs (103, 104) angeordnet sind.
Inverteraufbau eines Inverters (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei AC-Abgriffe der Halbleiter-Packages (11, 12) der Lowside und der Highside an einem gemeinsamen Anschlusspunkt (A2) verbunden sind.
Inverteraufbau eines Inverters (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei je Phase (U, V, W) eine, zwei, drei oder vier Halbbrücken (102) vorgesehen sind.
Inverteraufbau eines Inverters (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiter-Packages (11, 12) derart angeordnet sind, dass ihr DC-Anschluss zu einem damit zu verbindenden Zwischenkreiskondensator (106) weist, oder wobei die DC-Anschlüsse einen Winkel von im Wesentlichen 90 Grad zum damit zu verbindenden Zwischenkreiskondensator (106) aufweisen.
Inverteraufbau eines Inverters (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Halbleiter-Packages (11, 12) auf einander gegenüberliegenden Seiten von Kühlkörpern (10) des zugehörigen Kühlstrangs (103, 104) angeordnet sind, und eine Bauhöhe des Kühlkörpers (10) derart gewählt ist, dass DC-Stromschienen (DC) der Halbleiter-Packages (11, 12) an einem gemeinsamen Anschlusspunkt (A1) verbunden sind und mit einem Zwischenkreis (106) elektrisch kontaktiert werden können.
Verwendung eines Inverteraufbau eines Inverters (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Leistungselektronikmodul (100) zur Ansteuerung eines elektrischen Antriebs eines Kraftfahrzeugs (200).
Leistungselektronikmodul (100) mit einem Inverteraufbau eines Inverters (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Elektrischer Antrieb, insbesondere elektrischer Achsantrieb, für ein Kraftfahrzeug (200) mit wenigstens einer elektrischen Maschine, einer Getriebeeinrichtung und einem Leistungselektronikmodul (100) Anspruch 13.
Kraftfahrzeug (200), aufweisend einen elektrischen Antrieb nach Anspruch 14.