WO2023031384A1 - Schaltermodul für eine inverteranordnung, inverteranordnung mit dem schaltermodul sowie fahrzeug mit der inverteranordnung - Google Patents

Schaltermodul für eine inverteranordnung, inverteranordnung mit dem schaltermodul sowie fahrzeug mit der inverteranordnung Download PDF

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module
switch
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    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration

Definitions

  • Switch module for an inverter arrangement, inverter arrangement with the switch module and vehicle with the inverter arrangement
  • the invention relates to a switch module with the features of the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to an inverter arrangement with the switch module and a corresponding vehicle.
  • inverters For the drive in electric vehicles or hybrid vehicles, inverters are required, which generate an AC voltage from a DC voltage provided by a battery or a generator in order to drive an electric motor for driving the vehicle.
  • the core components of the inverter are switching elements, which make or break electrical connections depending on the phase position.
  • semiconductor switching elements are used for the switching elements, which can withstand the switching frequency and the switching current, but heat up considerably during operation and therefore have to be placed appropriately for the application.
  • a switch module is proposed which is suitable and/or designed for an inverter arrangement of a vehicle.
  • the vehicle is designed in particular as an electric vehicle or as a hybrid vehicle.
  • the vehicle has at least one traction motor for driving the vehicle.
  • the traction motor is designed as an electric motor.
  • the function of the inverter arrangement is to provide an AC voltage supply, in particular an AC supply, starting from a DC voltage supply and/or DC supply.
  • the switch module has precisely or at least one switch device.
  • exactly one switching device or alternatively two or more switching devices can be provided in the switch module.
  • the switching device can be in the form of a high-side switching device or a low-side switching device. If the switch module has two or more switching devices, at least or precisely one switching device can be embodied as a high-side switching device and precisely or at least one switching device can be embodied as a low-side switching device.
  • the inverter arrangement has an intermediate circuit capacitor device and at least one phase output.
  • the switch module On the input side, the switch module has an input connection for making contact with the intermediate circuit capacitor device and on the output side an output connection for making contact with the at least one phase output.
  • the high-side switching device can be connected or is connected to a DC(+) output of the intermediate circuit capacitor device and/or the low-side switching device to a DC(-) output of the intermediate circuit capacitor device via the input connection.
  • the switch module has a base body, with the base body forming at least one main side of the module.
  • the switching device is arranged on the main side of the module or at least parallel to the main side of the module.
  • the main side of the module is preferably the side of the switch module and/or the base body with the largest area. Provision can also be made for the switch module and/or the base body to each have two main module sides which are opposite one another.
  • a first main module side by a front and a second Module main side be designed as a back of the switch module and / or the base body.
  • Side faces are arranged circumferentially, with the side faces being designed smaller or preferably even significantly smaller than the main side(s) of the module.
  • the switch module can have a housing, with the housing forming or concomitantly forming the base body.
  • the input connection and the output connection are arranged on opposite sides of the switch module and/or extend in a Y-direction or negative Y-direction.
  • the height of the switch module extends in the Z-direction, the thickness of the switch module extends in the X-direction.
  • the switch module can be integrated particularly easily into the inverter arrangement due to the symmetrical arrangement of the input connection and the output connection.
  • the switch module can be mounted in the inverter arrangement with a mounting direction in a negative Z-direction.
  • the switch module preferably has a cooling device, the cooling device being aligned parallel to the main side of the module and/or extending parallel to a Y-Z plane.
  • the cooling device is preferably designed as an active cooling device, specifically as a liquid cooling device.
  • the cooling device is assigned to the switch module selectively and/or exclusively.
  • the cooling device has a cooling connection, with the cooling connection extending in a negative Z-direction. A side surface of the switch module is thus occupied by the cooling connection. This continues the consideration of the invention, to mount the switch module with a mounting direction in a negative Z-direction in the inverter arrangement.
  • the switch module has a
  • Control and/or measurement connection with the control and/or measurement connection extends in a positive Z direction.
  • the control and/or measuring connection is arranged opposite the cooling connection.
  • another, in particular opposite, side surface of the switch module is occupied by the control and/or measuring connection.
  • two opposite sides of the switch module are used for the input connection and the output connection, and two opposite sides are used for the cooling connection and the control and/or measuring connection.
  • a corresponding function is thus assigned to each side surface of the switch module.
  • the thickness of the switch module is not increased in a direction perpendicular to the main side of the module, so that the switch modules can be positioned in the inverter arrangement to save space and can be mounted in the mounting direction described.
  • the switch module has at least one power semiconductor as the switching device. Provision is made for this power semiconductor to extend parallel to the main side of the module and/or in the Y-Z plane.
  • the power semiconductor is particularly preferably designed without a housing.
  • the semiconductor material can be e.g. Si, SiC, GaN etc.
  • Semiconductor types can be e.g. IGBT, Mosfet, Cascode etc.
  • the switch module has a ceramic-copper circuit board, with the ceramic-copper circuit board extending parallel to the main side of the module and/or being aligned parallel to the YZ plane.
  • the ceramic-copper circuit board is preferably designed as a DCB (direct bond copper substrate) or as an IMS (insulated metal substrate).
  • the ceramic-copper circuit board is particularly advantageous for transporting away and/or dissipating thermal energy.
  • the switching device or switching devices, in particular in the form of a power semiconductor is preferably applied directly to the ceramic-copper circuit board as a die, in particular soldered on.
  • the cooling device is in thermal contact with the ceramic-copper circuit board.
  • the cooling device is congruent with the Ceramic-copper circuit board designed.
  • the ceramic-copper circuit board is preferably rectangular.
  • the input connection has an input contact surface and the output connection has an output contact surface.
  • the input contact area and the output contact area extend in the X-Y plane and/or perpendicular to the plane of the module main side.
  • An output of the intermediate circuit capacitor device has an input mating contact surface, which preferably extends in the same plane as the input contact surface.
  • the phase output has an output mating contact surface which preferably extends in the same plane as the output contact surface.
  • the switch module in a force-fitting manner against the mating contact surfaces when the switch module is being installed in a negative Z-direction, and thereby to make electrical contact.
  • the cooling connection can be connected in the Z-direction in order to move in a negative Z-direction against a counter-cooling connection of the inverter arrangement when the switch module is installed in order to connect the cooling device fluidically.
  • the switch module has at least one high-side switching device and at least one low-side switching device.
  • this switch module forms a half-bridge.
  • a phase output can be supplied over the entire phase by a single space-saving switch module. It is also possible for two or more switch modules of this type to be provided for each phase output.
  • the switch module has two of the switching devices, one of the switching devices as a high-side switching device and one of the Switching devices is designed as a low-side switching device, it is preferred that this switch module has two ceramic-copper circuit boards with the switching devices arranged thereon, the cooling device being arranged between the switching devices and/or the ceramic-copper circuit boards in order to both switching devices to actively cool. Overall, this results in a sandwich structure for this switch module.
  • Another object of the invention is the inverter arrangement for the vehicle, the inverter arrangement having a plurality of switch modules as have been described above and/or according to one of claims 1 to 8. Different switch modules can also be used in the inverter arrangement.
  • the function of the inverter arrangement is to provide an AC voltage supply, in particular an AC supply, starting from a DC voltage supply and/or DC supply.
  • the inverter arrangement has the intermediate circuit capacitor device and at least one of the phase outputs, the switching devices and/or the switch modules being connected to the intermediate circuit capacitor device on the input side and to the at least one phase output on the output side.
  • the inverter arrangement preferably has exactly three phase outputs in order to operate the AC supply in three phases.
  • the switching devices are connected to the intermediate circuit capacitor device on the input side and to the at least one phase output on the output side. With this configuration and the corresponding control of the switch modules and/or the switching devices, a preferably three-phase alternating current/alternating voltage can be generated as an AC supply.
  • switch modules are arranged in a stack and/or standing in a row in the inverter arrangement with the module main sides aligned in parallel.
  • the switch modules are thus parallel and/or upright, in a common row in the inverter arrangement.
  • the switch modules are arranged congruently or at least overlapping in a viewing direction perpendicular to the main module sides.
  • the switch modules are arranged like a stack, with the switch modules preferably being spaced apart from one another in the stacking direction.
  • This subject is based on the consideration that hitherto the switch modules have always been positioned flat next to one another in a common plane in order to be able to be actively cooled particularly well from a rear side and additionally passively cooled from a front side by convection/heat radiation.
  • this arrangement has the disadvantage, on the one hand, that the area required is comparatively large, and on the other hand, line length problems can arise in the high-side switching devices and the low-side switching devices if they are arranged one behind the other.
  • the inverter arrangement according to the invention enables the third dimension to be used in order to reduce the space required for the switch modules in the inverter arrangement. This space-saving arrangement is made possible by the specific design of the switch modules.
  • the inverter arrangement has one or more fastening bodies, the fastening bodies being designed to fasten the switch module in the negative Z-direction.
  • the switch module is moved in the negative Z-direction during assembly with the fastening body, so that the input contact surfaces and the output contact surfaces and/or the cooling connection are functionally assembled.
  • the fastening body or bodies is/are preferably designed as strips, with the strips extending in the X direction.
  • All the control and/or measuring connections of the switch modules in the inverter arrangement preferably extend in the same direction, so that all of the switch modules can be contacted from one side.
  • the inverter arrangement particularly preferably has a control and/or measurement circuit board, the control and/or measurement circuit board being placed on the plurality of switch modules, the control and/or measurement connections pointing in a common, positive Z-direction from the control -and / or measuring board can be included. This structure facilitates the contacting of the switch modules and allows a space-saving design.
  • the switch modules with the parallel module main sides are aligned parallel to the Y-Z plane and/or are offset in parallel to one another.
  • the intermediate circuit capacitor means extends with a capacitor major side or a general surface extent parallel to the X-Y plane.
  • the main capacitor side is the side of the intermediate circuit capacitor device with the largest area.
  • the main module sides or their planes are thus perpendicular to the surface extent and/or the main capacitor side of the intermediate circuit capacitor device or their plane.
  • each phase output is preferable for each phase output to be assigned at least one high-side switching device and at least one low-side switching device. A complete phase can thus be switched and/or generated with each phase output.
  • each phase output is assigned two or more high-side switching devices and/or two or more low-side switching devices.
  • all high-side switching devices of a common phase output are arranged next to one another and/or all low-side switching devices of the phase output are arranged next to one another.
  • a group of high-side switching devices and a group of low-side switching devices are thus formed, which are arranged next to one another.
  • the high-side switching devices and the low-side switching devices are arranged symmetrically to a center plane.
  • the midplane extends in the Y-Z plane, the midplane symmetrically dividing the switching devices of a phase output.
  • at least one high-side switching device is arranged between two low-side switching devices.
  • Two or more high-side switching devices can also be arranged between the two low-side switching devices.
  • at least one low-side switching device is arranged between two high-side switching devices of the phase output.
  • Two or more low-side switching devices can also be arranged between two high-side switching devices of the phase output.
  • the arrangement of symmetrically arranged switching devices offers the advantage of minimal, commuting cells, which reduce the necessary compensating currents in the area of the intermediate circuit of the intermediate circuit capacitor device.
  • a further object of the invention is formed by a vehicle with the inverter arrangement as described above or according to one of the preceding claims.
  • the vehicle has at least one traction motor, with the inverter arrangement being designed to provide an AC supply for the traction motor and/or to supply the traction motor with alternating voltage and alternating current.
  • FIG. 1 shows a schematic, three-dimensional representation of an inverter arrangement as an embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a detailed view of the inverter arrangement from FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a further detailed view of the inverter arrangement from the preceding figures;
  • 4a, b shows a schematic plan view of a connection area of the inverter arrangement of the preceding figures with different arrangements of the switch modules;
  • 6a, b shows a three-dimensional representation in different views of the switch module in an installed state
  • FIG. 7a, b shows a three-dimensional representation in different views of a further embodiment of the invention of the switch module for the inverter arrangement of the preceding figures;
  • FIG. 1 shows, in a schematic three-dimensional representation, an inverter arrangement 1 as an exemplary embodiment of the invention.
  • the inverter arrangement 1 can also be referred to as an inverter.
  • the inverter arrangement 1 has the function of providing an AC supply from a DC supply 2, which originates, for example, from a battery or from a fuel cell. She serves in particular to provide the AC supply for a vehicle, specifically to supply an electric motor designed as a traction motor for the vehicle.
  • the inverter arrangement 1 has an intermediate circuit capacitor device 4, the intermediate circuit capacitor device 4 being connected to the battery or fuel cell (not shown) on the input side. Furthermore, the inverter arrangement 1 has three phase outputs 5a, b, c, at which three phases for the AC supply are provided.
  • the phase outputs 5a, b, c are designed as conductive T-shaped bodies, with the standing leg forming a connection in the direction of the electric motor and the lying leg forming a contact in the direction of the intermediate circuit capacitor device 4 .
  • a multiplicity of switch modules 6 arranged in parallel are electrically interposed between the intermediate circuit capacitor device 4 and the phase outputs 5a, b, c.
  • the switch modules 6 each have an input connection 7 for making contact with the intermediate circuit capacitor device 4 and an output connection 8 for making parallel contact with one of the phase outputs 5a, b, c, in particular in the region of the lying leg.
  • a surface extension of the intermediate circuit capacitor device 4 is denoted by a plane spanned by an X direction and a Y direction, and the height of the inverter arrangement 1 is denoted by a Z direction.
  • FIG. 2 shows a schematic, three-dimensional top view of the connection area of the inverter arrangement 1 in the area of the switch modules 6.
  • This representation shows the phase outputs 5 a, b, c on the output side of the switch modules 6 and the high-side outputs 9 a and low-side on the input side -Outputs 9b of the intermediate circuit capacitor device 4 are shown.
  • a DC(+) voltage of the intermediate circuit capacitor device 4 is present at the high-side outputs 9a, and a DC(-) voltage of the intermediate circuit capacitor device 4 is present at the low-side outputs 9b.
  • setup 4 The input connections 7 are optionally electrically conductively connected to the high-side outputs 9a or to the low-side outputs 9b.
  • the output terminals 8 are electrically conductively connected to the phase outputs 5a, b, c.
  • Each phase output 5a, b, c is assigned a group of switch modules 6 that are connected to a high-side output 9a and a group of switch modules 6 that are connected to a low-side output 9b.
  • FIG. 3 shows, in a schematic, three-dimensional representation, the area of the inverter arrangement 1 with the switch modules 6 in an enlarged representation.
  • the switch modules 6 each have a base body 10 which forms a cuboid shape or the shape of a rectangle.
  • the switch modules 6 each have a main module side 10a, b, with the main module sides 10a, b forming the front and a rear of the base body 9 and the switch module 6, respectively.
  • the switch module 6 has side surfaces all around, which are designed to be significantly smaller in terms of surface area than the module main sides 11a, b.
  • the module main sides 11a, b extend parallel to the Y-Z plane.
  • the switch modules 6 are arranged on edge in the inverter arrangement 1 .
  • Some and in this exemplary embodiment all switch modules 6 are arranged standing in a common row and/or in such a way that the main module sides 11a, b of the various switch modules 6 are arranged parallel to one another.
  • the switch modules 6 are arranged in a stack. If the switch modules 6 are viewed in the X direction, they are positioned congruently. A distance is provided between the switch modules 6 so that the switch modules 6 do not inadvertently contact each other and the cooling is also improved.
  • switching devices 11 and optionally additionally diode devices 12 are arranged on the switch modules 6 .
  • the switching devices 12 and optionally additionally the diode devices 13 extend parallel to the module main side 11a, b and/or in the YZ plane, in particular the switching devices 12 are designed as power semiconductors.
  • the switching devices 12 and optionally additionally, the diode devices 13 are designed as unhoused components.
  • the switching devices 12 are designed as unpackaged IGBT chips in order to reduce any package-related electrical resistance (DFPR, Die-Free Package Resistance) and the thermal resistance of the package (Rth,JC) in this way, thereby improving energy efficiency and thermal performance .
  • DFPR package-related electrical resistance
  • Rth,JC thermal resistance of the package
  • the input connections 7 each have an input contact area 14, the input contact areas 14 being aligned parallel to the X-Y plane and lying flat on an input mating contact area 15 of the high-side output 9a and the low-side output 9b.
  • the output connections 8 each have an output contact surface 16, which is in the X-Y plane and rests flat on an output mating contact surface 17 of the phase outputs 5 a, b, c.
  • the switch modules 6 each have a cooling device 18, the cooling device 18 being aligned parallel to the module main sides 11a, b and/or extending parallel to the Y-Z plane.
  • the cooling device 18 has cooling terminals 18 which extend in the direction of the negative Z-axis and which can be connected into counter-cooling terminals 20 by movement of the switch module 6 in the negative Z-direction.
  • the switch module 6 can thus be electrically contacted and connected to the cooling circuit by a movement in the negative Z-direction.
  • the switch module 6 has in each case a ceramic-copper circuit board 21 which is aligned parallel to the main module main side 10a, b and/or forms this.
  • the ceramic-copper circuit board 21 is designed in particular as a direct-bonding-copper substrate (DCB, Direct Copper Bonding).
  • DCB Direct Copper Bonding
  • the switching device 12 and/or the diode device 13 are applied directly to the DCB substrate, whose coefficient of expansion is equal to that of silicon.
  • the cooling device 18 is in thermal contact with the ceramic-copper circuit board 20.
  • the ceramic-copper circuit board 20 has the same format as the cooling device 18 and/or is designed congruently with it.
  • the cooling device 18 cools the ceramic-copper circuit board 21 over its entire surface.
  • the switch modules 6 each have a control and/or measurement connection 21, the control and/or measurement connection 21 being formed by a plurality of pins 23, the pins 23 extending in the positive Z-direction.
  • the switch modules 6 can be contacted by a control and/or measurement circuit board 23 (FIG. 1), in that the control and/or measurement circuit board 23 is placed on the switch modules 6 in the negative Z-direction.
  • the switch module 6 has the input connection 7 and the output connection 8 on two opposite sides, in particular in the Y direction, and/or the cooling connection 19 and the control and/or measuring connection 22 on two opposite sides, in particular in the Z direction .
  • the inverter arrangement 1 makes it possible to use the third dimension in order to reduce the required installation space on the part of the power semiconductors of the inverter arrangement 1, as can be seen in the figures.
  • the inverter arrangement 1 is characterized in that
  • a printed circuit board designed as a control and/or measurement board 24, which provides at least functionalities for driving the switch modules 6 and can contain the necessary protective circuits for the semiconductors.
  • the printed circuit board enables the electrical contacting of the switch modules 6 for the measurement and control connections.
  • the printed circuit board creates a functional parallel connection of several dies per topological switch.
  • a switch module 6 contains the switching power semiconductors as switch device 12. A different number of switch modules 6 connected in parallel for each topological switch is also possible.
  • the topological switches are connected to a switching high side and low side, which can represent an alternating current of a phase.
  • the inverter arrangement 1 represents three electrical phases that can be used to operate an electrical machine.
  • the power semiconductors are connected to the intermediate circuit capacitor device 4 via the connections DC+ and DC-.
  • the cooling devices 18 are plugged into a coolant distributor. Fastening and positioning of the modules is realized via hold-down devices designed as the fastening bodies 28, which are connected to the distributor or the housing.
  • the measurement and control contacts, which form the control and/or measurement connection 22, of the switch modules 6 are connected to a circuit board, designed as the control and/or measurement circuit board 24, which can contain a driver and control circuit .
  • FIGS. 4a, b show two alternatives for arranging the switch modules
  • the switch modules 6 are arranged in two groups, with the two groups being positioned next to one another.
  • the switch modules 6 of the first group or their switching devices 12 form low-side switching devices and the switch modules 6 or their switching devices 12 form high-side switching devices. It can be seen that the outputs 9a, b of the intermediate circuit capacitor device 4 can be arranged very easily.
  • FIG. 4b shows a distribution of the switch modules 6, although these are not arranged in groups but are arranged in a mixed manner.
  • the switch modules 6 are positioned symmetrically to a center plane 25 .
  • This arrangement results in the intermediate circuit capacitor device 4 having to provide more outputs 9a, b.
  • this arrangement has the advantage that fewer compensating currents arise during operation.
  • two switch modules 6 with high-side switch devices are arranged between two switch modules 6 with low-side switch modules.
  • discrete switch modules 6 therefore has the advantage over the use of discrete half-bridges that different arrangements of the potential switches are possible.
  • Two possible variants of the arrangement can be seen in FIGS. 4a, b, the arrangement on the left corresponding to that which can also be seen in the preceding figures.
  • This arrangement offers the advantage that all measurement and control connections of a potential are next to each other, and the connection on the DC side can also be implemented quite easily.
  • the arrangement in FIG. 4b offers the advantage of minimal commuting cells, which minimizes the necessary compensating currents in the area of the intermediate circuit.
  • more than one Z-type semiconductor material can also be used in a simple manner due to the discrete approach.
  • the semiconductor material can be Si, SiC, GaN, for example.
  • Semiconductor types can be e.g. IGBT, Mosfet, be cascodes. If several semiconductor materials and types are used, further arrangements result in addition to those shown in FIGS. 4a, b.
  • Different power semiconductors e.g. Si-IGBT, SiC-Mosfet, SiC cascode, GaN?, can be used within an electrical phase.
  • Si-IGBT Si-IGBT
  • SiC-Mosfet Several different semiconductor types can be used simultaneously within the inverter structure, e.g. Si-IGBT and SiC-Mosfet.
  • the printed circuit board can also contain control board functionalities in a circuit carrier.
  • the inverter arrangement 1 can also contain a number of circuit carriers.
  • FIGS 5a, b, c show one of the switch modules 6 in a schematic three-dimensional representation in different views.
  • the base body 10 is also formed by the ceramic-copper circuit board 21 , the cooling device 18 being arranged on a rear side of the ceramic-copper circuit board 21 so that it covers the entire area.
  • the input connection 7 and, on an opposite side, the output connection 8 go in the X-direction extensively contacted.
  • a partial area is pivoted or bent by 90°, so that the input contact surface 14 or the output contact surface 16 is formed, which is oriented in the direction of the negative Z-direction.
  • the control and/or measuring connection 22, which is formed by four pins, is arranged on the upper side of the switch module 6, the pins 23 having the following assignments:
  • the switch module 6 has a positioning body 26 on the underside (negative Z-direction), the positioning body 26 being designed as an L-profile in this exemplary embodiment.
  • the positioning body 26 can also be designed in one piece with the cooling device 18 .
  • the positioning body 26 protrudes beyond the base body 10 of the switch module 6 in the Y direction on both sides, so that positioning tabs 27 are formed.
  • the positioning tabs 27 have a standing leg, which is aligned in the YZ plane, and a lying leg, which is aligned in the XY plane.
  • the two cooling connections 19 are arranged on the underside of the switch module 6, which extend in the negative Z-direction and which are tubular.
  • Two switch modules 6 are shown in the installed position in the inverter arrangement 1 in FIG. 6a, b.
  • the switch modules 6 are fastened in the inverter arrangement 1 via fastening bodies 28 .
  • the fastening bodies 28 are designed as strips and have fastening receptacles 29 for receiving the positioning tabs 27 .
  • the fastening mounts 29 are designed to correspond to the positioning tabs 27 .
  • the fastening bodies 28 have mechanical interfaces 30, the mechanical interfaces 30 being designed to fasten the fastening body 28 in the negative Z-direction during assembly and to pull it in this direction during fastening.
  • the mechanical interfaces 30 are designed as through openings, so that screw means are introduced, which fasten the fastening bodies 28 in the direction of the negative Z-direction.
  • the fastening receptacles 30 are designed in such a way that they can transmit a fastening force in the negative Z-direction, with the switch modules 6 being pulled in the negative Z-direction during assembly, so that the cooling connections 19 are connected on the one hand and the connections 7 on the other , 8 are pressed onto the respective mating contact surfaces 15, 17 via the respective contact surfaces 14, 16 in order to establish or improve the electrical contact.
  • one of the switch modules 6 is equipped with a high-side switching device and one of the switch modules 6 is equipped with a low-side switching device.
  • the positioning lugs 27 or the fastening mounts 29 are designed to be mirror images of one another, so that only matching switch modules 6 can be assembled in the sense of avoiding “Poka Yoke” errors.
  • FIGS. 7a, b An alternative design for the switch modules 6 is shown in FIGS. 7a, b.
  • the switch modules 6 are each designed as half-bridges and each have two switch devices 12, namely a high-side switch device and a low-side switch device.
  • the switch module 6 includes two ceramic-copper circuit boards 21 , the cooling device 18 being arranged between the two ceramic-copper circuit boards 21 .
  • One of the switching devices 12 is arranged on each of the ceramic-copper boards 21 .
  • the switch module 6 has two input connections 7 so that it can be connected to DC+ and DC- of the intermediate circuit capacitor device 4 .
  • the switch module 6 has only one output connection 8 for the electrical connection to one of the phase outputs 5a, b, c.
  • Each of the ceramic-copper circuit boards 21 has its own control and/or measuring connection 22, which, however, extend together with the pins 23 in the Z-direction.
  • FIGS. 7a, b an alternative construction of a half-bridge arrangement is shown, which consists of only one component.
  • the semiconductors of the high side are arranged on one side and the semiconductors of the low side are arranged on the opposite side.
  • Each side has its own cooling surface in the area of the cooler, through which the coolant flows, connected in parallel.
  • the AC clip as the output connection 8 connects the two topological switches within the arrangement to form an electrical half-bridge and leads them to the outside.
  • Positioning tabs 27 can also be provided in the half-bridge arrangement for orientation and attachment.
  • the switch module 6 makes it possible to use the third dimension in order to minimize the installation space required on the part of the power semiconductors of the inverter arrangement 1 .
  • the switch module 6 is characterized in that
  • One or more power semiconductors are arranged as switching devices 12 per switch module 6 in the Y-Z plane, the switch module 6 has the power connections for drain and source on opposite sides in the Y direction, the switch module 6 with the cooling device 18 has a has integrated fluid cooling, which has its inlet and outlet in the negative Z direction and the switch module 6 has control and measurement connections (e.g. drain, gate, Kelvin source, power source) in the positive Z direction, the switch module 6 has Fastening points (e.g. positioning brackets 27) available for mounting.
  • the switch module 6 has the power connections for drain and source on opposite sides in the Y direction
  • the switch module 6 with the cooling device 18 has a has integrated fluid cooling, which has its inlet and outlet in the negative Z direction and the switch module 6 has control and measurement connections (e.g. drain, gate, Kelvin source, power source) in the positive Z direction
  • the switch module 6 has Fastening points (e.g. positioning brackets 27) available for mounting.
  • Different power semiconductors e.g. Si-IGBT, SiC-Mosfet, SiC cascode, GaN?, can be used in the chip arrangement.
  • Si-IGBT Si-IGBT
  • SiC-Mosfet Several different semiconductor types can be used simultaneously within the inverter structure, e.g. Si-IGBT and SiC-Mosfet.
  • One or more power semiconductors can be used in parallel as switching devices 12 in the switch module 6, as in Figure 5a, b, if a second switching device 12 is used instead of the diode device 13, so that two SiC Mosfets are used as switching devices 12, for example.
  • several power semiconductor elements can also be arranged to form a topological switch, eg Si-IGBT + diode (example shown in Figure 5a) or SiC cascode.
  • a topological switch eg Si-IGBT + diode (example shown in Figure 5a) or SiC cascode.
  • FIGs 8a, b, c show different embodiments for the design of the ceramic-copper circuit board 21.
  • the switch device 12 and optionally additionally the diode device 13 are arranged on a DBC (insulating ceramic) as a ceramic-copper circuit board 21 which connects the drain to the semiconductors, ie to the switch device 12 and optionally additionally to the diode device 13 .
  • the semiconductor elements that is to say the switch devices 12 and, optionally, the diode device 13 as well, are applied to copper sections of the ceramic/copper circuit board 21, as in the previous figures.
  • the ceramic-copper circuit board 21 in particular the DBC, can also take over the positioning of the control and measurement connections 22 .
  • the copper coating of the ceramic-copper circuit board 21 has to be divided into several parts (FIG. 8a). Alternatively, these can also be arranged as part of the leadframe without touching the DBC (FIG. 8b).
  • the input port 7 is z. b. not connected to the copper coating of the ceramic-copper circuit board 21/DBC in FIGS. 5a, b, c. This can be implemented in an alternative arrangement, as shown in Figure 8a, in which case a connection, e.g.
  • the underside of the ceramic-copper circuit board 21/DBC is connected over a large area to the cooler device 18 by soldering or sintering in order to enable heat transfer into the coolant.
  • the cooling device 18 in the switch module 6 has an inflow and an outflow for the cooling medium, which can be connected to the cooling system with the aid of a seal.
  • the cooler device 18 or a housing has the positioning tabs 27, which are required for the orientation and attachment of the switch module 6 in a combination, for example an inverter structure. reference sign

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Abstract

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schaltermodul für eine Inverteranordnung von einem Fahrzeug bereitzustellen, welche besonders einfach integrierbar ist. Hierzu wird ein Schaltermodul (6) für eine Inverteranordnung (1) von einem Fahrzeug vorgeschlagen, mit mindestens einer Schalteinrichtung (12), wobei die Schalteinrichtung (12) als eine High-Side-Schalteinrichtung oder als eine Low-Side-Schalteinrichtung ausgebildet ist, mit einem Eingangsanschluss (7) für eine Zwischenkreiskondensatoreinrichtung (4) und einen Ausgangsabschluss (8) für einen Phasenausgang (5a,b,c), mit einem Grundkörper (10), wobei der Grundkörper (10) mindestens eine Modulhauptseite (11a,b) aufweist, wobei die Schalteinrichtung (12) auf der Modulhauptseite (11a,b) angeordnet ist, wobei der Eingangsanschluss (7) und der Ausgangsanschluss (8) an gegenüberliegenden Seiten des Schaltermoduls (6) angeordnet sind und/oder sich in eine X-Richtung erstrecken.

Description

Schaltermodul für eine Inverteranordnunq, Inverteranordnunq mit dem Schaltermodul sowie Fahrzeug mit der Inverteranordnunq
Die Erfindung betrifft ein Schaltermodul mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch eine Inverteranordnung mit dem Schaltermodul sowie ein entsprechendes Fahrzeug.
Für den Antrieb bei Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen werden Inverter benötigt, welche aus einer von einer Batterie oder einem Generator bereitgestellten Gleichspannung eine Wechselspannung erzeugen, um einen Elektromotor für den Fährbetrieb des Fahrzeugs anzutreiben. Kernkomponenten des Inverters sind Schaltelemente, welche in Abhängigkeit der Phasenlage elektrische Verbindungen herstellen bzw. aufheben. Für die Schaltelemente werden insbesondere Halbleiterschaltelemente eingesetzt, welche zwar die Schaltfrequenz sowie den Schaltstrom vertragen, sich jedoch im Betrieb stark erwärmen und daher entsprechend anwendungsgerecht platziert werden müssen.
Es ist bekannt, die Schaltelemente flächig nebeneinander zu positionieren, so dass diese von der Unterseite aktiv gekühlt und von der Oberseite durch Konvektion und/oder Wärmestrahlung passiv gekühlt werden können.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schaltermodul für eine Inverteranordnung von einem Fahrzeug bereitzustellen, welche besonders einfach integrierbar ist. Diese Aufgabe wird durch ein Schaltermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , durch eine Inverteranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Bevorzugte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung mit den Figuren.
Erfindungsgemäß wird ein Schaltermodul vorgeschlagen, welches für eine Inverteranordnung von einem Fahrzeug geeignet und/oder ausgebildet ist. Das Fahrzeug ist insbesondere als ein Elektrofahrzeug oder als ein Hybridfahrzeug ausgebildet. Jedenfalls weist das Fahrzeug mindestens einen Traktionsmotor zum Antrieb des Fahrzeugs auf. Der Traktionsmotor ist als ein Elektromotor ausgebildet.
Die Inverteranordnung hat die Funktion, ausgehend von einer Gleichspannungsversorgung und/oder DC-Versorgung, eine Wechselspannungsversorgung, insbesondere eine AC-Versorgung, bereitzustellen.
Das Schaltermodul weist genau oder mindestens eine Schaltereinrichtung auf. Somit kann in dem Schaltermodul jeweils genau eine Schalteinrichtung oder alternativ zwei oder mehr Schalteinrichtungen vorgesehen sein. Die Schalteinrichtung kann als High-Side-Schalteinrichtungen oder als Low-Side-Schalteinrichtung ausgebildet sein. Für den Fall, dass das Schaltermodul zwei oder mehr Schalteinrichtungen aufweist, kann mindestens oder genau eine Schalteinrichtung als High-Side-Schalteinrichtung und genau oder mindestens eine Schalteinrichtung als Low-Side-Schalteinrichtung ausgebildet sein.
Die Inverteranordnung weist eine Zwischenkreiskondensatoreinrichtung und mindestens einen Phasenausgang auf. Das Schaltermodul weist eingangsseitig einen Eingangsanschluss zur Kontaktierung mit der Zwischenkreiskondensatoreinrichtung und ausgangsseitig einen Ausgangsanschluss zur Kontaktierung mit dem mindestens einen Phasenausgang. Insbesondere ist die High-Side-Schalteinrichtung mit einem DC(+)-Ausgang der Zwischenkreiskondensatoreinrichtung und/oder die Low-Side- Schalteinrichtung mit einem DC(-)-Ausgang der Zwischenkreiskondensatoreinrichtung über den Eingangsanschluss verbindbar oder verbunden.
Das Schaltermodul weist einen Grundkörper auf, wobei der Grundkörper mindestens eine Modulhauptseite bildet. Die Schalteinrichtung ist auf der Modulhauptseite oder zumindest parallel zu der Modulhauptseite angeordnet. Die Modulhauptseite ist vorzugsweise die Seite des Schaltermoduls und/oder des Grundkörpers mit der größten Fläche. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Schaltermodul und/oder der Grundkörper jeweils zwei Modulhauptseiten aufweisen, welche sich gegenüberliegen. Beispielsweise kann eine erste Modulhauptseite durch eine Vorderseite und eine zweite Modulhauptseite als eine Rückseite des Schaltermoduls und/oder des Grundkörpers ausgebildet sein. Umlaufend sind Seitenflächen angeordnet, wobei die Seitenflächen jedoch kleiner oder bevorzugt sogar deutlich kleiner als die Modulhauptseite(n) ausgebildet sind. Insbesondere kann das Schaltermodul ein Gehäuse aufweisen, wobei das Gehäuse den Grundkörper bildet oder mitbildet.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Eingangsanschluss und der Ausgangsanschluss an gegenüberliegenden Seiten des Schaltermoduls angeordnet sind und/oder sich in eine Y-Richtung bzw. negative Y-Richtung erstrecken. Die Höhe des Schaltermoduls erstreckt sich in der Z-Richtung, die Dicke des Schaltermoduls erstreckt sich in der X-Richtung.
Es ist dabei eine Überlegung der Erfindung, dass das Schaltermodul durch die symmetrische Anordnung von dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss besonders einfach in die Inverteranordnung integriert werden kann. Insbesondere kann das Schaltermodul mit einer Montagerichtung in einer negativen Z-Richtung in die Inverteranordnung montiert werden.
Bevorzugt weist das Schaltermodul eine Kühleinrichtung auf, wobei die Kühleinrichtung parallel zu der Modulhauptseite ausgerichtet ist und/oder sich parallel zu einer Y-Z-Ebene erstreckt. Bevorzugt ist die Kühleinrichtung als eine aktive Kühleinrichtung, im Speziellen als eine Flüssigkühleinrichtung ausgebildet. Insbesondere ist die Kühleinrichtung dem Schaltermodul selektiv und/oder exklusiv zugeordnet.
Für die konstruktive Ausgestaltung ist es bevorzugt, dass die Kühleinrichtung einen Kühlanschluss aufweist, wobei sich der Kühlanschluss in eine negative Z-Richtung erstreckt. Somit wird eine Seitenfläche des Schaltermoduls durch den Kühlanschluss belegt. Damit wird die Überlegung der Erfindung weitergeführt, das Schaltermodul mit einer Montagerichtung in einer negativen Z-Richtung in die Inverteranordnung zu montieren.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist das Schaltermodul einen
Steuer-und/oder Messanschluss auf, wobei sich der Steuer-und/oder Messanschluss in eine positive Z-Richtung erstreckt. Insbesondere ist der Steuer-und/oder Messanschluss gegenüberliegend zu dem Kühlanschluss angeordnet. Somit wird eine andere, insbesondere gegenüberliegende Seitenfläche des Schaltermoduls durch den Steuer-und/oder Messanschluss belegt. Auch damit wird die Überlegung der Erfindung weitergeführt, das Schaltermodul mit einer Montagerichtung in einer negativen Z-Richtung in die Inverteranordnung zu montieren.
Insgesamt werden zwei gegenüberliegende Seiten des Schaltermoduls für den Eingangsanschluss und der Ausgangsanschluss und zwei gegenüberliegende Seiten für den Kühlanschluss und den Steuer-und/oder Messanschluss verwendet. Damit wird jeder Seitenfläche des Schaltermoduls eine entsprechende Funktion zugewiesen.
Dadurch, dass die Seitenflächen für die Anschlüsse verwendet werden, wird zudem die Dicke des Schaltermoduls in einer Richtung senkrecht zu der Modulhauptseite nicht vergrößert, so dass die Schaltermodule platzsparend in der Inverteranordnung positioniert und in der beschriebenen Montagerichtung montiert werden können.
Es ist bevorzugt, dass das Schaltermodul mindestens einen Leistungshalbleiter als Schalteinrichtung aufweist. Es ist vorgesehen, dass sich dieser Leistungshalbleiter parallel zu der Modulhauptseite und/oder in der Y-Z Ebene erstreckt. Der Leistungshalbleiter ist besonders bevorzugt ungehäust ausgebildet. Das Halbleitermaterial kann hierbei z.B. Si, SiC, GaN etc. sein. Halbleitertypen können z.B. IGBT, Mosfet, Kaskoden etc. sein.
Es ist besonders bevorzugt, dass das Schaltermodul eine Keramik-Kupfer-Platine aufweist, wobei sich die Keramik-Kupfer-Platine parallel zu der Modulhauptseite erstreckt und/oder parallel zu der Y-Z-Ebene ausgerichtet ist. Die Keramik-Kupfer-Pla- tine ist bevorzugt als eine DCB (Direct-Bond-Copper-Substrat) oder als eine IMS (Insulated metal substrate) ausgebildet. Die Keramik-Kupfer-Platine ist besonders vorteilhaft beim Abtransport und/oder Ableitung von Wärmeenergie. Bevorzugt wird die Schalteinrichtung oder Schalteinrichtungen, insbesondere ausgebildet als Leistungshalbleiter, als Dies auf die Keramik-Kupfer-Platine unmittelbar aufgebracht, insbesondere aufgelötet. Die Kühleinrichtung steht in einem thermischen Kontakt mit der Ke- ramik-Kupfer-Platine. Beispielsweise ist die Kühleinrichtung deckungsgleich zu der Keramik-Kupfer-Platine ausgebildet. Die Keramik-Kupfer-Platine ist bevorzugt rechteckig ausgebildet.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Eingangsanschluss eine Eingangskontaktfläche und der Ausgangsanschluss eine Ausgangskontaktfläche auf. Die Eingangskontaktfläche und die Ausgangskontaktfläche erstrecken sich in der X- Y-Ebene und/oder senkrecht zu der Ebene der Modulhauptseite.
Ein Ausgang der Zwischenkreiskondensatoreinrichtung weist eine Eingangsgegenkontaktfläche auf, welche sich bevorzugt in der gleichen Ebene wie die Eingangskontaktfläche erstreckt. Der Phasenausgang weist eine Ausgangsgegenkontaktfläche auf, welche sich bevorzugt in der gleichen Ebene wie die Ausgangskontaktfläche erstreckt.
Mit diesem Aufbau ist es möglich, das Schaltermodul bei einer Montage des Schaltermoduls in einer negativen Z-Richtung kraftschlüssig gegen die Gegenkontaktflächen zu fahren und dadurch elektrisch zu kontaktieren. Alternativ oder ergänzend kann der Kühlanschluss in Z-Richtung angeschlossen werden, um somit bei einer Montage des Schaltermoduls in einer negativen Z-Richtung gegen einen Gegenkühlanschluss der Inverteranordnung zu fahren, um die Kühleinrichtung fluidtechnisch zu verbinden. Mit dieser Weiterbildung wird die Überlegung der Erfindung weitergeführt, das Schaltermodul mit einer Montagerichtung in einer negativen Z-Richtung in die Inverteranordnung zu montieren.
Bei einer Weiterbildung oder Alternative der Erfindung weist das Schaltermodul mindestens eine High-Side-Schalteinrichtung und mindestens eine Low-Side-Schaltein- richtung auf. Insbesondere bildet dieses Schaltermodul eine Halbbrücke. In dieser Ausgestaltung kann durch ein einziges platzsparendes Schaltermodul ein Phasenausgang über die gesamte Phase versorgt werden. Es ist auch möglich, dass pro Phasenausgang zwei oder mehr derartige Schaltermodule vorgesehen sind.
Für den Fall, dass das Schaltermodul zwei der Schalteinrichtungen aufweist, wobei einer der Schalteinrichtungen als eine High-Side-Schalteinrichtung und eine der Schalteinrichtungen als eine Low-Side-Schalteinrichtung ausgebildet ist, ist es bevorzugt, dass dieses Schaltermodul zwei Keramik-Kupferplatinen mit den darauf angeordneten Schalteinrichtungen aufweist, wobei die Kühleinrichtung zwischen den Schalteinrichtungen und/oder den Keramik-Kupfer-Platinen angeordnet ist, um beide Schalteinrichtungen aktiv zu kühlen. Insgesamt ergibt sich ein Sandwichaufbau für dieses Schaltermodul.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung bildet die Inverteranordnung für das Fahrzeug, wobei die Inverteranordnung eine Mehrzahl von Schaltermodulen aufweist, wie diese zuvor beschreiben worden sind und/oder nach einem der Ansprüche 1 bis 8. Dabei können auch unterschiedliche Schaltermodule in die Inverteranordnung eingesetzt werden.
Die Inverteranordnung hat die Funktion, ausgehend von einer Gleichspannungsversorgung und/oder DC-Versorgung, eine Wechselspannungsversorgung, insbesondere eine AC-Versorgung, bereitzustellen.
Die Inverteranordnung weist die Zwischenkreiskondensatoreinrichtung und mindestens einen der Phasenausgänge auf, wobei die Schalteinrichtungen und/oder die Schaltermodule eingangsseitig mit der Zwischenkreiskondensatoreinrichtung und ausgangsseitig mit dem mindestens einen Phasenausgang verbunden sind. Vorzugsweise weist die Inverteranordnung genau drei Phasenausgänge auf, um die AC- Versorgung dreiphasig zu betreiben. Die Schalteinrichtungen sind eingangsseitig mit der Zwischenkreiskondensatoreinrichtung und ausgangsseitig mit dem mindestens einen Phasenausgang verbunden. Mit dieser Ausgestaltung und der entsprechenden Ansteuerung der Schaltermodule und/oder der Schalteinrichtungen kann ein bevorzugt dreiphasiger Wechselstrom/Wechselspannung als AC-Versorgung erzeugt werden.
Es wird vorgeschlagen, dass mehrere der Schaltermodule mit parallel ausgerichteten Modulhauptseiten in einem Stapel und/oder in einer Reihe stehend in der Inverteranordnung angeordnet sind. Somit stehen die Schaltermodule parallel und/oder hochkant, in einer gemeinsamen Reihe in der Inverteranordnung. Besonders bevorzugt sind die Schaltermodule in einer Blickrichtung senkrecht auf die Modulhauptseiten deckungsgleich oder zumindest überlappend angeordnet. Insbesondere sind die Schaltermodule wie ein Stapel angeordnet, wobei die Schaltermodule in Stapelrichtung bevorzugt voneinander beabstandet sind.
Diesem Gegenstand liegt die Überlegung zugrunde, dass bislang stets die Schaltermodule in einer gemeinsamen Ebene flächig nebeneinander positioniert worden sind, um von einer Rückseite besonders gut aktiv gekühlt werden zu können und von einer Vorderseite zusätzlich durch Konvektion/Wärmestrahlung passiv gekühlt zu werden. Diese Anordnung hat jedoch zum einen den Nachteil, dass die benötigte Fläche vergleichsweise groß ist, zum anderen kann es zu Leitungslängenproblemen bei den High-Side-Schalteinrichtungen und den Low-Side-Schalteinrichtungen kommen, wenn diese hintereinander angeordnet sind. Die erfindungsgemäße Inverteranordnung ermöglicht dagegen die Nutzung der dritten Dimension, um den notwendigen Bauraum für die Schaltermodule in der Inverteranordnung zu verkleinern. Diese platzsparende Anordnung wird durch die spezifische Gestaltung der Schaltermodule ermöglicht.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Inverteranordnung einen oder mehrere Befestigungskörper auf, wobei die Befestigungskörper ausgebildet sind, das Schaltermodul in negativer Z-Richtung zu befestigen. Insbesondere wird das Schaltermodul bei der Montage mit dem Befestigungskörper in die negative Z- Richtung bewegt, so dass die Eingangskontaktflächen und die Ausgangskontaktflächen und/oder der Kühlanschluss funktionsgerecht montiert werden. Bevorzugt ist der oder die Befestigungskörper als Leisten ausgebildet, wobei sich die Leisten in X- Richtung erstrecken.
Vorzugsweise erstrecken sich alle Steuer-und/oder Meßanschlüsse der Schaltermodule in der Inverteranordnung in die gleiche Richtung, so dass die Gesamtheit der Schaltermodule von einer Seite kontaktiert werden kann. Besonders bevorzugt weist die Inverteranordnung eine Steuer- und/oder Meßplatine auf, wobei die Steuer- und/oder Meßplatine auf die Mehrzahl der Schaltermodule aufgesetzt wird, wobei die in eine gemeinsame, positive Z-Richtung weisenden Steuer- und/oder Messanschlüsse von der Steuer-und/oder Meßplatine aufgenommen werden können. Dieser Aufbau erleichtert die Kontaktierung der Schaltermodule und erlaubt eine platzsparende Bauweise.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Schaltermodule mit den parallelen Modulhauptseiten parallel zur der Y-Z-Ebene ausgerichtet und/oder parallel versetzt zueinander angeordnet. Die Zwischenkreiskondensatoreinrichtung erstreckt sich mit einer Kondensatorhauptseite oder einer allgemeinen Flächenerstreckung parallel zu der X-Y-Ebene. Die Kondensatorhauptseite ist die Seite der Zwischenkreiskondensatoreinrichtung mit der größten Fläche. Die Modulhauptseiten bzw. deren Ebenen stehen damit senkrecht zu der Flächenerstreckung und/oder Kondensatorhauptseite der Zwischenkreiskondensatoreinrichtung bzw. deren Ebene. Durch diese Anordnung können die Schaltermodule beispielsweise parallel zueinander an einer Seitenfläche der Zwischenkreiskondensatoreinrichtung platzsparend angeordnet werden.
Funktional betrachtet ist es bevorzugt, dass jedem Phasenausgang mindestens eine High-Side-Schalteinrichtung und mindestens eine Low-Side-Schalteinrichtung zugeordnet ist. Damit kann mit jedem Phasenausgang eine vollständige Phase geschaltet und/oder erzeugt werden.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind jedem Phasenausgang zwei oder mehr High-Side-Schalteinrichtungen und/oder zwei oder mehr Low-Side-Schalt- einrichtungen zugeordnet.
Bei einer ersten Alternative der Erfindung sind alle High-Side-Schalteinrichtungen eines gemeinsamen Phasenausgangs nebeneinander angeordnet und/oder sind alle Low-Side-Schalteinrichtungen des Phasenausgangs nebeneinander angeordnet. Es wird somit eine Gruppe von High-Side-Schalteinrichtungen und eine Gruppe von Low-Side-Schalteinrichtungen gebildet, welche nebeneinander angeordnet sind. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Anschluss auf der Zwischenkreiskondensatoreinrichtungsseite sehr einfach realisiert werden kann.
Bei einer alternativen Ausgestaltung sind die High-Side-Schalteinrichtungen und die Low-Side-Schalteinrichtungen symmetrisch zu einer Mittelebene angeordnet sind.
Die Mittelebene erstreckt sich in der Y-Z-Ebene, wobei die Mittelebene die Schalteinrichtungen eines Phasenausgangs symmetrisch teilt. Insbesondere ist mindestens eine High-Side-Schalteinrichtungen zwischen zwei Low-Side-Schalteinrichtungen angeordnet. Es können auch zwei oder mehr High-Side-Schalteinrichtungen zwischen den zwei Low-Side-Schalteinrichtungen angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend ist mindestens eine Low-Side-Schalteinrichtungen zwischen zwei High-Side-Schalt- einrichtungen des Phasenausgangs angeordnet. Es können auch zwei oder mehr Low-Side-Schalteinrichtungen zwischen zwei High-Side-Schalteinrichtungen des Phasenausgangs angeordnet sein. Die Anordnung symmetrisch angeordneten Schalteinrichtungen bietet den Vorteil von minimaler, kommutierender Zellen, welche die notwendigen Ausgleichsströme im Bereich des Zwischenkreises der Zwischenkreiskondensatoreinrichtung verkleinern.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung wird durch ein Fahrzeug mit der Inverteranordnung gebildet, wie diese zuvor beschrieben wurde bzw. nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Das Fahrzeug weist mindestens einen Traktionsmotor auf, wobei die Inverteranordnung ausgebildet ist, eine AC-Versorgung für den Traktionsmotor bereit zu stellen und/oder den Traktionsmotor mit Wechselspannung und Wechselstrom zu versorgen.
Die nachfolgende Beschreibung sowie die Figuren offenbaren bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung. In den Figuren ist dargestellt:
Figur 1 eine schematische, dreidimensionale Darstellung von einer Inverteranordnung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 2 eine Detailansicht der Inverteranordnung aus der Figur 1 ; Figur 3 eine weitere Detailansicht der Inverteranordnung aus den vorhergehenden Figuren;
Fig. 4 a, b eine schematische Draufsicht auf einen Anschlussbereich der Inverteranordnung der vorhergehenden Figuren mit unterschiedlichen Anordnungen der Schaltermodule;
Fig. 5 a, b, c eine dreidimensionale Darstellung in verschiedenen Ansichten von einem Schaltermodul für die Inverteranordnung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 6 a, b eine dreidimensionale Darstellung in verschiedenen Ansichten von dem Schaltermodul in einem eingebauten Zustand;
Fig. 7 a, b eine dreidimensionale Darstellung in verschiedenen Ansichten von einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung des Schaltermoduls für die Inverteranordnung der vorhergehenden Figuren;
Fig. 8 a, b, c eine Draufsicht auf verschiedene Varianten einer Keramik-Kupfer-Pla- tine für die Schaltermodule der vorhergehenden Figuren.
In den Figuren sind gleiche oder entsprechende Komponenten oder Bereiche mit gleichen oder entsprechenden Bezugszeichen versehen. Die Beschreibung bezieht sich in gleicher Weise jeweils auf alle Figuren.
Die Figur 1 zeigt in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung eine Inverteranordnung 1 als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Inverteranordnung 1 kann auch als ein Wechselrichter bezeichnet werden. Die Inverteranordnung 1 hat die Funktion aus einer DC-Versorgung 2, welche beispielsweise von einer Batterie oder von einer Brennstoffzelle stammt, eine AC- Versorgung bereitzustellen. Sie dient insbesondere zur Bereitstellung der AC-Versorgung für ein Fahrzeug, im Speziellen zur Versorgung eines Elektromotors ausgebildet als Traktionsmotor für das Fahrzeug.
Die Inverteranordnung 1 weist eine Zwischenkreiskondensatoreinrichtung 4 auf, wobei die Zwischenkreiskondensatoreinrichtung 4 eingangsseitig mit der Batterie bzw. Brennstoffzelle (nicht gezeigt) verbunden ist. Ferner weist die Inverteranordnung 1 drei Phasenausgänge 5 a, b, c auf, an denen drei Phasen für die AC-Versorgung bereitgestellt werden. Die Phasenausgänge 5a, b, c sind als leitende T-förmige Körper ausgebildet, wobei der stehende Schenkel einen Anschluss in Richtung Elektromotor und der liegende Schenkel einen Kontakt in Richtung der Zwischenkreiskondensatoreinrichtung 4 bildet.
Zwischen der Zwischenkreiskondensatoreinrichtung 4 und den Phasenausgängen 5 a, b, c sind eine Vielzahl von parallel angeordneten Schaltermodulen 6 elektrisch zwischengeschaltet. Die Schaltermodule 6 weisen jeweils einen Eingangsanschluss 7 zur Kontaktierung mit der Zwischenkreiskondensatoreinrichtung 4 sowie einen Ausgangsanschluss 8 zur parallelen Kontaktierung mit einem der Phasenausgänge 5 a, b, c, insbesondere im Bereich des liegenden Schenkels auf.
Zur Vereinfachung der Beschreibung wird eine Flächenerstreckung der Zwischenkreiskondensatoreinrichtung 4 mit einer Ebene aufgespannt von einer X-Richtung und einer Y-Richtung und die Höhe der Inverteranordnung 1 mit einer Z-Richtung bezeichnet.
Die Figur 2 zeigt in einer schematischen, dreidimensionalen Draufsicht den Anschlussbereich der Inverteranordnung 1 im Bereich der Schaltermodule 6. Dieser Darstellung sind ausgangsseitig zu den Schaltermodulen 6 die Phasenausgänge 5 a, b, c und eingangsseitig High-Side-Ausgänge 9 a sowie Low-Side-Ausgänge 9b der Zwischenkreiskondensatoreinrichtung 4 dargestellt. An den High-Side-Ausgängen 9 a liegt eine DC(+)-Spannung der Zwischenkreiskondensatoreinrichtung 4, an den Low-Side-Ausgängen 9 b liegt eine DC(-)-Spannung der Zwischenkreiskondensato- reinrichtung 4 an. Die Eingangsanschlüsse 7 sind wahlweise mit den High-Side-Aus- gängen 9 a oder mit den Low-Side-Ausgängen 9 b elektrisch leitend verbunden. Die Ausgangsanschlüsse 8 sind mit den Phasenausgängen 5 a, b, c elektrisch leitend verbunden. Jedem Phasenausgang 5a, b, c sind jeweils eine Gruppe von Schaltermodulen 6 zugeordnet, die mit einem High-Side-Ausgang 9a, und jeweils eine Gruppe von Schaltermodulen 6 zugeordnet, die mit einem Low-Side-Ausgang 9b, verbunden sind.
Die Figur 3 zeigt in einer schematischen, dreidimensionalen Darstellung den Bereich der Inverteranordnung 1 bei den Schaltermodulen 6 in einer vergrößerten Darstellung. Es ist zu entnehmen, dass die Schaltermodule 6 jeweils einen Grundkörper 10 aufweisen, welcher eine quaderförmige Form oder die Form eines Rechtecks bildet. Die Schaltermodule 6 weisen jeweils eine Modulhauptseite 10 a, b auf, wobei die Modulhauptseiten 10 a, b Vorderseite bzw. eine Rückseite des Grundkörpers 9 bzw. des Schaltermoduls 6 bilden. Umlaufend weist das Schaltermodul 6 Seitenflächen auf, welche flächenmäßig deutlich kleiner als die Modulhauptseiten 11 a, b ausgebildet sind.
Die Modulhauptseiten 11 a, b erstrecken sich parallel zu der Y-Z Ebene. Insbesondere sind die Schaltermodule 6 hochkant in der Inverteranordnung 1 angeordnet. Einige und in diesem Ausführungsbeispiel alle Schaltermodule 6 sind In einer gemeinsamen Reihe stehend angeordnet und/oder so, dass die Modulhauptseiten 11 a, b der verschiedenen Schaltermodule 6 parallel zueinander angeordnet sind. Die Schaltermodule 6 sind in einem Stapel angeordnet. Betrachtet man die Schaltermodule 6 in X-Richtung, so sind diese deckungsgleich positioniert. Zwischen den Schaltermodulen 6 ist ein Abstand vorgesehen, so dass sich die Schaltermodule 6 nicht versehentlich kontaktieren und zudem die Kühlung verbessert ist.
Es ist zu erkennen, dass auf den Schaltermodulen 6 Schalteinrichtungen 11 und optional ergänzend Diodeneinrichtungen 12 angeordnet sind. Die Schalteinrichtungen 12 und optional ergänzend die Diodeneinrichtungen 13 erstrecken sich parallel zu der Modulhauptseite 11 a, b und/oder in der Y-Z-Ebene insbesondere sind die Schalteinrichtungen 12 als Leistungshalbleiter ausgebildet. Die Schalteinrichtungen 12 und optional ergänzend die Diodeneinrichtungen 13 sind als ungehäuste Bauteile ausgebildet. Beispielsweise sind die Schalteinrichtungen 12 als ungehäuste IGBT-Chips ausgebildet, um auf diese Weise jedweden gehäusebezogenen elektrischen Widerstand (DFPR, Die-Free Package Resistance) sowie den Wärmewiderstand des Gehäuses (Rth,JC) zu verringern und dadurch die Energieeffizienz sowie die Wärmeleistung zu verbessern.
Die Eingangsanschlüsse 7 weisen jeweils eine Eingangskontaktfläche 14 auf, wobei die Eingangskontaktflächen 14 parallel zu der X-Y-Ebene ausgerichtet sind und flächig auf eine Eingangsgegenkontaktfläche 15 von dem High-Side-Ausgang 9a bzw. dem Low-Side-Ausgang 9b aufliegen. Die Ausgangsanschlüsse 8 weisen jeweils eine Ausgangskontaktfläche 16 auf, welche jeweils in der X-Y-Ebene liegen und flächig kontaktieren auf einer Ausgangsgegenkontaktfläche 17 von den Phasenausgängen 5 a, b, c aufliegen.
Die Schaltermodule 6 weisen jeweils eine Kühleinrichtung 18 auf, wobei die Kühleinrichtung 18 parallel zu den Modulhauptseiten 11 a, b ausgerichtet ist und/oder sich parallel zu der Y-Z-Ebene erstreckt. Die Kühleinrichtung 18 weist Kühlanschlüsse 18 auf, welche sich in Richtung der negativen Z-Achse erstrecken und welche in Gegenkühlanschlüsse 20 durch eine Bewegung von dem Schaltermodul 6 in die negative Z- Richtung angeschlossen werden können.
Das Schaltermodul 6 kann durch eine Bewegung in die negative Z-Richtung somit sowohl elektrisch kontaktiert als auch an den Kühlkreislauf angeschlossen werden.
Das Schaltermodul 6 weist jeweils eine Keramik-Kupfer-Platine 21 auf, welche parallel zu der Hauptmodulhauptseite 10 a, b ausgerichtet ist und/oder diese bildet. Die Keramik-Kupfer-Platine 21 ist insbesondere als eine Direktbond-Kupfer-Substrat (DCB, Direct Copper Bonding) ausgebildet. Insbesondere werden Schalteinrichtung 12 und/oder die Diodeneinrichtung 13 direkt auf das DCB-Substrat aufgebracht, dessen Ausdehnungskoeffizient gleich dem von Silizium ist. Insbesondere ist die Kühleinrichtung 18 im thermischen Kontakt mit der Kera- mik-Kupfer-Platine 20. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Keramik-Kup- fer-Platine 20 das gleiche Format wie die Kühleinrichtung 18 auf und/oder ist deckungsgleich zu dieser ausgebildet. Insbesondere kühlt die Kühleinrichtung 18 die Keramik-Kupfer-Platine 21 vollflächig.
Die Schaltermodule 6 weisen jeweils einen Steuer- und/oder Messanschluss 21 auf, wobei der Steuer- und/oder Messanschluss 21 durch eine Mehrzahl von Pins 23 gebildet wird, wobei die Pins 23 sich in die positive Z-Richtung erstrecken.
Somit können die Schaltermodule 6 durch eine Steuer- und/oder Meßplatine 23 (Figur 1 ) kontaktiert werden, indem die Steuer- und/oder Meßplatine 23 auf die Schaltermodule 6 in negativer Z-Richtung aufgesetzt wird.
Zusammenfassend weist das Schaltermodul 6 auf zwei gegenüberliegenden Seiten, insbesondere in Y- Richtung, den Eingangsanschluss 7 und den Ausgangsanschluss 8 und/oder auf zwei gegenüberliegenden Seiten, insbesondere in Z-Richtung, den Kühlanschluss 19 und den Steuer-und/oder Messanschluss 22 auf.
Die Inverteranordnung 1 ermöglicht die Nutzung der dritten Dimension, um den notwendigen Bauraum von Seiten der Leistungshalbleiter der Inverteranordnung 1 zu verkleinern, wie in den Figuren zu sehen ist.
Die Inverteranordnung 1 zeichnet sich dadurch aus, dass
Mehrere Schaltermodule 6 zu einer elektrischen Phase zusammen geschaltet werden,
Ein oder mehrere Schaltermodule 6, innerhalb einer elektrischen Phase, jeweils einen High-Side- und eine Low-Side-Schalter bilden, wobei die Schaltermodule 6 eines Schalters parallel geschaltet werden,
Mehrere Phasen, in den Figuren sind es drei, für einen elektrischen Antrieb aufgebaut werden, eine ein- oder mehrteilige Zwischenkreiskondensatoreinrichtung 4, die die Schalteinrichtungen 12, insbesondere Leistungshalbleiter, auf DC-Seite versorgt, einen gemeinsamen Zu- und Ablauf für das Kühlmittel, um eine serielle oder parallele Kühlung der Schaltermodule 6 zu ermöglichen,
Eine Leiterplatte, ausgebildet als Steuer-und/oder Meßplatine 24, die mindestens Funktionalitäten für die Ansteuerung der Schaltermodule 6 sorgt und notwendige Schutzbeschaltungen für die Halbleiter beinhalten kann. Die Leiterplatte ermöglicht hierbei die elektrische Kontaktierung der Schaltermodule 6 für die Mess- und Steueranschlüsse. Zudem stellt die Leiterplatte eine funktionsgemäße Parallelschaltung mehrerer Dies pro topologischen Schalter her.
In der in Figur 4a gezeigten, Inverteranordnung 1 sind jeweils vier Schaltermodule 6 pro topologischem Schalter miteinander verschaltet. Ein Schaltermodul 6 beinhaltet hierbei die schaltenden Leistungshalbleiter als Schaltereinrichtung 12. Eine andere Anzahl parallel verschalteter Schaltermodule 6 je topologischem Schalter ist ebenso möglich. Die topologischen Schalter werden zu eine schaltenden High-Side und Low- Side verschaltet, welche einen Wechselstrom einer Phase darstellen kann.
Die Inverteranordnung 1 stellt drei elektrische Phasen dar, die zum Betrieb einer elektrischen Maschine eingesetzt werden können. An einer anderen Seite werden die Leistungshalbleiter an die Zwischenkreiskondensatoreinrichtung 4 über die Anschlüsse DC+ und DC- angeschlossen.
An der unteren Seite werden die Kühleinrichtungen 18 in eine Kühlmittelverteilung gesteckt. Befestigung und Positionierung der Module wird über Niederhalter ausgebildet als die Befestigungskörper 28 realisiert, die mit dem Verteiler oder dem Gehäuse verbunden werden. An der oberen Seite werden die Mess- und Steuerkontakte, die den Steuer- und/oder Messanschluss 22 bilden, der Schaltermodule 6 mit einer Leiterplatte, ausgebildet als die Steuer-und/oder Meßplatine 24, verbunden, die eine Treiber- und Steuerschaltung enthalten kann.
Die Figuren 4 a, b zeigen zwei Alternativen zur Anordnung von den Schaltermodulen
6 in der Inverteranordnung 1 mit Bezug auf einen der Phasenausgänge 5 a, b, c. In der Figur 4 a sind die Schaltermodule 6 in zwei Gruppen angeordnet, wobei die zwei Gruppen nebeneinander positioniert sind. Eine erste Gruppe mit vier Schaltermodulen 6, welche mit einem Low-Side-Ausgang 9 b eingangsseitig kontaktiert ist, sowie eine zweite Gruppe mit vier Schaltermodulen 6, wobei die jeweiligen Eingangsanschlüsse 7 mit einem High-Side-Ausgang 9a der Zwischenkreiskondensatoreinrichtung 4 kontaktiert sind. Somit bilden die Schaltermodule 6 der ersten Gruppe bzw. deren Schalteinrichtungen 12 Low-Side-Schalteinrichtungen und die Schaltermodule 6 bzw. deren Schalteinrichtungen 12 High-Side-Schaltereinrichtungen. Es ist zu erkennen, dass die Ausgänge 9 a, b der Zwischenkreiskondensatoreinrichtung 4 sehr einfach arrangiert werden können.
Dagegen zeigt die Figur 4 b eine Verteilung der Schaltermodule 6, wobei diese jedoch nicht in Gruppen geordnet, sondern gemischt angeordnet sind. Insbesondere sind die Schaltermodule 6 symmetrisch zu einer Mittelebene 25 positioniert. Diese Anordnung führt dazu, dass die Zwischenkreiskondensatoreinrichtung 4 mehr Ausgänge 9 a, b bereitstellen muss. Allerdings weist dieser Anordnung den Vorteil auf, dass weniger Ausgleichsströme im Betrieb entstehen. Genauer betrachtet sind zwischen zwei Schaltermodulen 6 mit Low-Side-Schaltermodulen jeweils zwei Schaltermodule 6 mit High-Side-Schaltereinrichtungen angeordnet.
Somit hat der Einsatz von diskreten Schaltermodulen 6 gegenüber dem Einsatz diskreter Halbbrücken den Vorteil, dass unterschiedliche Anordnungen der Potential- schalter möglich sind. In den Figuren 4a, b sind zwei mögliche Varianten der Anordnung zu sehen, wobei die linke Anordnung jener entspricht, die ebenso in den vorhergehenden Figuren zu sehen sind. Diese Anordnung bietet den Vorteil, dass alle Mess- und Steueranschlüsse eines Potentials nach beieinanderliegen, ebenso kann der Anschluss auf der DC Seite recht einfach realisiert werden. Die Anordnung in der Figur 4b bietet den Vorteil minimaler kommutierender Zellen, welches die notwendigen Ausgleichsströme im Bereich des Zwischenkreises minimiert.
In der Inverteranordnung 1 können durch den diskreten Ansatz auch auf einfache Art und Weise mehr als ein HalbleitermaterialZ-typ eingesetzt werden. Das Halbleitermaterial kann hierbei z.B. Si, SiC, GaN sein. Halbleitertypen können z.B. IGBT, Mosfet, Kaskoden sein. Bei dem Einsatz mehrerer Halbleitermaterialien und -typen ergeben sich weitere Anordnungen neben den gezeigten in den Figuren 4a, b.
Es können neben vier parallelen Schaltermodulen 6 auch eine andere Anzahl parallel eingesetzt werden.
Es können verschiedene Leistungshalbleiter, zB. Si-IGBT, SiC-Mosfet, SiC Kaskode, GaN?, innerhalb einer elektrischen Phase eingesetzt werden.
Es können mehrere unterschiedliche Halbleitertypen gleichzeitig innerhalb des Inverteraufbaus eingesetzt werden, z.B. Si-IGBT und SiC-Mosfet.
Die Leiterplatte kann neben den Treiberfunktionalitäten auch Controllboardfunktionalitäten in einem Schaltungsträger enthalten. Alternativ kann die Inverteranordnung 1 auch mehrere Schaltungsträger beinhalten.
Die Figuren 5 a, b, c zeigen eines der Schaltermodule 6 in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung in verschiedenen Ansichten. In diesen Darstellungen ist nochmals zu erkennen, dass der Grundkörper 10 durch die Keramik-Kupfer-Platine 21 mitgebildet ist, wobei auf einer Rückseite der Keramik-Kupfer-Platine 21 die Kühleinrichtung 18 flächendeckend angeordnet ist. In die X-Richtung gehen jeweils der Eingangsanschluss 7 sowie auf einer gegenüberliegenden Seite der Ausgangsanschluss 8. Der Eingangsanschluss 7 sowie der Ausgangsanschluss 8 weisen jeweils einen Teilabschnitt auf, welcher in der gleichen Ebene wie die Keramik-Kupfer-Pla- tine 21 liegt und diese flächig kontaktiert. An einem freien Ende von dem Eingangsanschluss 7 bzw. Ausgangsanschluss 8 ist ein Teilbereich um 90° verschwenkt oder umgebogen, so dass die Eingangskontaktfläche 14 bzw. die Ausgangskontaktfläche 16 gebildet ist, welche in Richtung der negativen Z-Richtung orientiert sind. An der Oberseite des Schaltermoduls 6 ist der Steuer-und/oder Messanschluss 22 angeordnet, welcher durch vier Pins gebildet wird, wobei die Pins 23 die folgenden Zuordnungen haben:
- Drain
- Gate
- Kelvin-Source
- Source Das Schaltermodul 6 weist an der Unterseite (negative Z-Richtung) einen Positionierkörper 26 auf, wobei der Positionierkörper 26 bei diesem Ausführungsbeispiel als ein L-Profil ausgebildet ist. Der Positionierkörper 26 kann auch einstückig mit der Kühleinrichtung 18 ausgebildet sein. Der Positionierkörper 26 steht über den Grundkörper 10 des Schaltermoduls 6 in Y-Richtung beidseitig über, so dass Positionierlaschen 27 gebildet sind. Die Positionierlaschen 27 weisen einen stehenden Schenkel, welcher in der Y-Z-Ebene ausgerichtet ist, sowie einen liegenden Schenkel auf, welcher in der X-Y-Ebene ausgerichtet ist.
An der Unterseite des Schaltermoduls 6 sind die zwei Kühlanschlüsse 19 angeordnet, welche sich in die negative Z-Richtung erstrecken und welche rohrförmig ausgebildet sind.
In der Figur 6 a, b sind zwei Schaltermodule 6 in Einbaulage in der Inverteranordnung 1 gezeigt. Die Schaltermodule 6 werden über Befestigungskörper 28 in der Inverteranordnung 1 befestigt. Die Befestigungskörper 28 sind als Leisten ausgebildet und weisen Befestigungsaufnahmen 29 zur Aufnahme der Positionierlaschen 27 auf. Die Befestigungsaufnahmen 29 sind korrespondierend zu den Positionierlaschen 27 ausgebildet.
Die Befestigungskörper 28 weisen mechanische Schnittstellen 30 auf, wobei die mechanischen Schnittstellen 30 ausgebildet sind, den Befestigungskörper 28 bei der Montage in der negativen Z-Richtung zu befestigen und bei der Befestigung in diese Richtung zu ziehen. In diesem Ausführungsbeispiel sind die mechanischen Schnittstellen 30 als Durchgangsöffnungen ausgebildet, so dass Schraubmittel eingeführt werden, welche die Befestigungskörper 28 in Richtung der negativen Z-Richtung befestigen. Die Befestigungsaufnahmen 30 sind so ausgebildet, dass diese eine Befestigungskraft in negative Z-Richtung übertragen können, wobei bei der Montage die Schaltermodule 6 in die negative Z-Richtung gezogen werden, so dass zum einen die Kühlanschlüsse 19 angeschlossen werden und zum andern die Anschlüsse 7, 8 über die jeweiligen Kontaktflächen 14, 16 auf die jeweiligen Gegenkontaktflächen 15, 17 gepresst werden, um den elektrischen Kontakt herzustellen oder zu verbessern. Wie sich aus den Figuren 6 a, b ergibt, ist eines der Schaltermodule 6 mit einer High- Side-Schalteinrichtung und eines der Schaltermodule 6 mit einer Low-Side-Schaltein- richtung ausgestattet. Um eine Fehlmontage zu vermeiden, sind die Positionierlaschen 27 bzw. die Befestigungsaufnahmen 29 spiegelverkehrt zueinander ausgebildet, so dass im Sinn der Fehlervermeidung „Poka Yoke“ nur passende Schaltermodule 6 montiert werden können.
In den Figuren 7 a, b ist eine alternative Bauform für die Schaltermodule 6 gezeigt. In dieser alternativen Ausgestaltung sind die Schaltermodule 6 jeweils als Halbbrücken ausgebildet und weisen jeweils zwei Schaltereinrichtungen 12, nämlich eine High- Side-Schaltereinrichtung und eine Low-Side-Schaltereinrichtung auf. Ferner umfasst das Schaltermodul 6 zwei Keramik-Kupfer-Platinen 21 , wobei die Kühleinrichtung 18 zwischen den zwei Keramik-Kupfer-Platinen 21 angeordnet ist. Auf jeder der Kera- mik-Kupfer-Platine 21 ist eine der Schalteinrichtungen 12 angeordnet. Nicht dargestellt ist die Positionierkörper 26, welcher jedoch noch aufgesetzt werden kann. Das Schaltermodul 6 weist zwei Eingangsanschlüsse 7 auf, so dass dieser mit DC+ und DC- der Zwischenkreiskondensatoreinrichtung 4 verbunden werden kann. Allerdings weist das Schaltermodul 6 nur einen Ausgangsanschluss 8 zur elektrischen Verbindung mit einem der Phasenausgänge 5a, b, c auf. Jede der Kera ik-Kupfer-Platinen 21 weist einen eigenen Steuer- und/oder Messanschluss 22 auf, welche sich jedoch mit den Pins 23 gemeinsam in die Z-Richtung erstrecken.
Somit wird in den Figuren 7a, b ein alternativer Aufbau einer Halbbrückenanordnung gezeigt, die nur aus einem Baustein besteht. Hierbei werden die Halbleiter der Highside auf der einen Seite und die Halbleiter der Lowside auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet. Jede Seite verfügt im Bereich des Kühlers über eine eigene Kühlfläche, welche parallel geschaltet vom Kühlmittel durchflossen werden. Die AC- Lasche als Ausgangsanschluss 8 verbindet die beiden topologischen Schalter innerhalb der Anordnung zu einer elektrischen Halbbrücke und führt diese nach außen. Neben den dargestellten Steuer- und Messanschlüssen 22 können weitere angeordnet werden, so wie es in den vorhergehenden Figuren beschrieben wurde. In der Halbbrückenanordnung können ebenso Positionierlaschen 27 für eine Orientierung und Befestigung vorgesehen werden. Das Schaltermodul 6 ermöglicht die Nutzung der dritten Dimension, um den notwendigen Bauraum von Seiten der Leistungshalbleiter der Inverteranordnung 1 zu minimieren.
Das Schaltermodul 6 zeichnet sich dadurch aus, dass
Ein oder mehrere Leistungshalbleiter (Dies) als Schalteinrichtungen 12 je Schaltermodul 6 in der Y-Z-Ebene angeordnet werden, das Schaltermodul 6 auf gegenüberliegenden Seiten in der Y-Richtung über die Leistungsanschlüsse für Drain und Source verfügt, das Schaltermodul 6 mit der Kühleinrichtung 18 über eine integrierte Fluidkühlung verfügt, welche ihren Zu- und Ablauf in negativer Z-Richtung hat und das Schaltermodul 6 über Steuer- und Messanschlüsse (z.B. Drain, Gate, Kelvin-Source, Power-Source) in positiver Z-Richtung verfügt, das Schaltermodul 6 über Befestigungspunkte (z.B. Positionierlaschen 27) zur Montage verfügt.
Es können neben zwei parallelen Leistungshalbleitern auch eine andere Anzahl parallel eingesetzt werden.
Es können verschiedene Leistungshalbleiter, zB. Si-IGBT, SiC-Mosfet, SiC Kaskode, GaN?, in der Chipanordnung eingesetzt werden.
Es können mehrere unterschiedliche Halbleitertypen gleichzeitig innerhalb des Inverteraufbaus eingesetzt werden, z.B. Si-IGBT und SiC-Mosfet.
In dem Schaltermodul 6 können ein oder mehrere Leistungshalbleiter als Schalteinrichtungen 12 parallel eingesetzt werden, wie in Bild 5 a, b wenn statt der Diodeneinrichtung 13 eine zweite Schaltereinrichtung 12 verwendet wird, so dass beispielhaft zwei SiC-Mosfets als Schaltereinrichtungen 12 eingesetzt werden. Des Weiteren können auch mehrere Leistungshalbleiterelemente zu einem topologischen Schalter angeordnet werden, z.B. Si-IGBT + Diode (beispielhaft in Bild 5a dargestellt) oder SiC-Kascode. In dem Schaltermodul 6 werden gemeinsame Steuer- und Messanschlüsse für alle Halbleiter eines Schaltermoduls 6 nach oben geführt. Diese könnten alternativ auch für jeden Halbleiter einzeln ausgeführt werden. Die Figuren 8 a, b, c zeigen unterschiedliche Ausführungsformen für die Gestaltung der Keramik-Kupfer-Platine 21 .
Die Schaltereinrichtung 12 sowie optional ergänzend die Diodeneinrichtung 13 werden auf einer DBC (Isolationskeramik) als Keramik-Kupfer-Platine 21 angeordnet, welche den Drain mit den Halbleitern, also mit der Schaltereinrichtung 12 und optional ergänzend der Diodeneinrichtung 13 verbindet. Die Halbleiterelemente, also die Schaltereinrichtungen 12 und optional ergänzend die Diodeneinrichtung 13, werden wie in den vorhergehenden Figuren auf Kupferabschnitten der Keramik-Kupfer-Pla- tine 21 aufgebracht.
Die Keramik-Kupfer-Platine 21 , insbesondere die DBC, kann ebenso die Positionierung der Steuer- und Messanschlüsse 22 übernehmen. An dieser Stelle muss die Kupferbeschichtung der Keramik-Kupfer-Platine 21 in mehrere Teile unterteilt werden (Figur 8a). Alternativ können diese als Teil des Leadframes auch ohne Berührung der DBC angeordnet werden (Figur 8b). Der Eingangsanschluss 7 wird z. b. in den Figuren 5a, b, c nicht mit der Kupferbeschichtung der Keramik-Kupfer-Platine 21/DBC verbunden. Dies kann in einer alternativen Anordnung realisiert werden, wie in Figur 8a gezeigt wird, wobei dann noch eine Verbindung, z.B. über Bond-Drähte, zwischen der dem Eingangsanschluss und den Source Kontakten der Halbleiter, insbesondere der Schalteinrichtung 12 und/oder der Diodeneinrichtung 13 benötigt. Die Mess- und Steueranschlüsse 22, die nicht über die Kupferbeschichtung der Keramik-Kupfer-Pla- tine 21/DBC mit ihrem Ziel verbunden sind, werden mit nicht eingezeichneten Verbindungen mit ihren Zielen, z.B. durch Bond-Drähte, verbunden.
Die Keramik-Kupfer-Platine 21 / DBC wird auf der Unterseite flächig mit der Kühlereinrichtung 18 durch Löten oder Sintern verbunden, um eine Wärmeübertragung in das Kühlmittel zu ermöglichen. Die Kühleinrichtung 18 verfügt in der dem Schaltermodul 6 über einen Zufluss und einen Abfluss für das Kühlmedium, welcher mit Hilfe einer Dichtung mit der Kühlung verbunden werden kann. Ergänzend verfügt die Kühlereinrichtung 18 oder ein Gehäuse über die Positionierlaschen 27, die für die Orientierung und Befestigung des Schaltermoduls 6 in einem Verbund, z.B. Inverteraufbau, benötigt werden. Bezuqszeichen
Inverteranordnung
DC-Versorgung
AC-Versorgung
Zwischenkreiskondensatoreinrichtunga, b, c Phasenausgänge
Schaltermodule
Eingangsanschluss
Ausgangsanschluss a High-Side-Ausgänge b Low-Side-Ausgänge 0 Grundkörper 1a, b Modulhauptseiten 2 Schalteinrichtungen 3 Diodeneinrichtungen 4 Eingangskontaktfläche 5 Eingangsgegenkontaktfläche 6 Ausgangskontaktfläche 7 Ausgangsgegenkontaktfläche 8 Kühleinrichtung 9 Kühlanschlüsse 0 Gegenkühlanschlüsse 1 Keramik-Kupfer-Platine 2 Steuer- und/oder Messanschluss 3 Pins 4 Steuer-und/oder Meßplatine 5 Mittelebene 6 Positionierkörper 7 Positionierlaschen 8 Befestigungskörper 9 Befestigungsaufnahmen 0 mechanische Schnittstellen

Claims

Patentansprüche
1 . Schaltermodul (6) für eine Inverteranordnung (1 ) von einem Fahrzeug, mit mindestens einer Schalteinrichtung (12), wobei die Schalteinrichtung (12) als eine High-Side-Schalteinrichtung oder als eine Low-Side-Schalteinrichtung ausgebildet ist, mit einem Eingangsanschluss (7) für eine Zwischenkreiskondensatoreinrichtung (4) und einen Ausgangsabschluss (8) für einen Phasenausgang (5a,b,c), mit einem Grundkörper (10), wobei der Grundkörper (10) mindestens eine Modulhauptseite (11 a,b) aufweist, wobei die Schalteinrichtung (12) auf der Modulhauptseite (11 a,b) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangsanschluss (7) und der Ausgangsanschluss (8) an gegenüberliegenden Seiten des Schaltermoduls (6) angeordnet sind und/oder sich in eine X-Richtung erstrecken.
2. Schaltermodul (6) nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch eine Kühleinrichtung (18), wobei die Kühleinrichtung (18) parallel zu der Modulhauptseite (11 a,b) ausgerichtet ist und/oder sich parallel zu einer Y-Z-Ebene erstreckt.
3. Schaltermodul (6) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (18) einen Kühlanschluss (19) aufweist, wobei sich der Kühlanschluss (19) in eine negative Z-Richtung erstreckt.
4. Schaltermodul (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltermodul (6) einen Steuer- und/oder Messanschluss (22) aufweist, wobei sich der Steuer- und/oder Messanschluss (22) in eine positive Z- Richtung erstreckt.
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5. Schaltermodul (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (12) als ein Leistungshalbleiter ausgebildet ist, wobei sich der Leistungshalbleiter parallel zu der Modulhauptseite (11a,b) und/oder in einer Y-Z-Ebene erstreckt.
6. Schaltermodul (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltermodul (12) eine Keramik-Kupfer-Platine (21 ) aufweist, wobei die Keramik-Kupfer-Platine (21) parallel zu der Modulhauptseite (11a,b) ausgerichtet ist und/oder sich parallel zu der Y-Z-Ebene erstreckt.
7. Schaltermodul (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangsanschluss (7) eine Eingangskontaktfläche (14) und der Ausgangsanschluss (8) eine Ausgangskontaktfläche (16) haben, wobei sich die Kontaktflächen (14,16) parallel zu der X-Y-Ebene erstrecken, so dass das Schaltermodul (6) durch eine Montage in negativer Z-Richtung kontaktiert werden kann und/oder dass der Kühlanschluss (19) in der negativen Z-Richtung verbindbar ist, so dass das Schaltermodul (6) durch eine Montage in negativer Z-Richtung an einen Kühlkreislauf angeschlossen werden kann.
8. Schaltermodul (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltermodul (6) mindestens eine High-Side-Schalteinrich- tung und mindestens ein Low-Side-Schalteinrichtung aufweist.
9. Inverteranordnung (1 ) für ein Fahrzeug, mit einer Mehrzahl von Schaltermodulen (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Zwischenkreiskondensatoreinrichtung (4) und mit mindestens einem Phasenausgang (5a,b,c), wobei die Schalteinrichtungen (12) eingangsseitig mit der Zwischenkreiskondensatoreinrichtung (4) und ausgangsseitig mit dem mindestens einen Phasenausgang (5a,b,c) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der Schaltermodule (6) in einem Stapel und/oder stehend in einer Reihe mit parallel ausgerichteten Modulhauptseiten (11 a,b) in der Inverteranordnung (1 ) angeordnet sind.
10. Inverteranordnung (1 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Befestigungskörper (28) aufweist, wobei der Befestigungskörper (28) ausgebildet ist, das Schaltermodul (6) in negativer Z-Richtung zu befestigen.
11 . Inverteranordnung (1 ) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltermodule (12) mit den parallelen Modulhauptseiten (11 a,b) parallel zu einer Y-Z-Ebene ausgerichtet sind und dass die Zwischenkreiskondensatoreinrichtung (4) mindestens eine Kondensatorhauptseite und/oder eine Flächenerstreckung aufweist, wobei die Kondensatorhauptseite bzw. die Flächenerstreckung parallel zu einer X-Y-Ebene angeordnet ist.
12. Inverteranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass jedem Phasenausgang (5a,b,c) mindestens eine High-Side-Schaltein- richtung und mindestens eine Low-Side-Schalteinrichtung zugeordnet ist.
13. Inverteranordnung (1 ) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Phasenausgang (5a,b,c) zwei oder mehr High-Side-Schalteinrichtungen und/oder zwei oder mehr Low-Side-Schalteinrichtungen aufweist, wobei alle High- Side-Schalteinrichtungen des Phasenausgangs (5a,b,c) nebeneinander angeordnet sind und/oder wobei alle Low-Side-Schalteinrichtungen des gleichen Phasenausgangs (5a,b,c) nebeneinander angeordnet sind.
14. Inverteranordnung (1 ) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Phasenausgang (5a,b,c) zwei oder mehr High-Side-Schalteinrichtungen und/oder zwei oder mehr Low-Side-Schalteinrichtungen aufweist, wobei die High-Side-Schalt- einrichtungen und die Low-Side-Schalteinrichtungen symmetrisch zu einer Mittelebene (25) angeordnet sind.
15. Fahrzeug mit der Inverteranordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur AC-Versorgung eines Traktionsmotors in dem Fahrzeug.
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