WO2023061878A1 - Elektronische baugruppe - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to an electronic assembly with at least one half-bridge, which has two series-connected electronic switches.
- Such an electronic assembly is used, for example, in voltage regulators and voltage converters.
- the electronic switches of the assembly are usually applied to one side of an electrically insulating component carrier, such as a ceramic, for example by soldering or sintering.
- the component carrier is usually coated on both sides with metal, for example with copper, for heat spreading.
- the lower metal-coated side of the component carrier is often applied, for example by soldering or sintering, to a shielding metal housing of a control unit, which has cooling channels running through it. When a coolant flows through these cooling channels, the thermal energy absorbed by the coolant can be transported to the outside, ie away from the electronic switches.
- the component carrier forms the bottleneck of the heat transfer path. Due to the transfer of heat by means of lattice vibrations of the insulator, only a significantly lower heat flow can be transported than through metals whose heat transfer is based on moving electrons, for example only one tenth to one third of the heat flow that can be transported by a metal.
- the component carrier which is coated with metal on both sides, forms a plate capacitor whose capacitance can be in the high pF range.
- the current driven through this capacitance by the switching voltages of the electronic switches is still in the mA range in the case of inverters or converters in the multiple kW range at a frequency of 10 MHz. currents in this However, the frequency range must not exceed 1.3 pA so that the emission limit values are observed.
- bonding wires are generally used for the electrical connection of the electronic switches.
- large-scale circuits are created which, with currents of several hundred amperes, lead to strong magnetic fields that penetrate the environment and potentially disrupt it.
- the invention is based on the object of specifying an electronic assembly which is improved in terms of cooling and electromagnetic compatibility and has at least one half-bridge which has two electronic switches connected in series.
- An electronic assembly according to the invention comprises
- a metallic, closed housing in which the DC voltage intermediate circuit, each half-bridge and each cooling block are arranged and the coolant connections for supplying and removing a coolant has, where
- the cooling blocks each have at least one cooling channel and the cooling channels are connected to one another and to the coolant connections, so that a coolant can be conducted between the coolant connections through the cooling channels,
- the high-side cooling blocks are electrically isolated from each other, from the positive terminal and from each low-side cooling block, and
- each low-side cooling block is isolated from the connection lines and electrically conductively connected to the negative pole and to the housing.
- high-side switch and low-side switch are used here to distinguish the positive-connected electronic switches (high-side switches) from the negative-connected electronic switches (low-side switches). The terms therefore refer to the electrical wiring of the switches in the assembly, not to the physical configuration of the switches. Physically, the high-side switch and the low-side switch can be identical.
- high-side cooling block and low-side cooling block are used here to distinguish a cooling block on which a high-side switch is arranged from a cooling block on which at least one low-side switch is arranged. These terms therefore relate to the assignment of the respective cooling block to a high-side switch or at least one low-side switch, not to the physical design of the cooling block.
- a high-side cooling block can therefore be designed physically similar to a low-side cooling block.
- An electronic assembly according to the invention differs from the conventional assemblies described above on the one hand by an improved one Cooling and on the other hand through improved electromagnetic compatibility.
- Cooling is improved in that the assembly does not have an electrically insulating component carrier on which the high-side switches and low-side switches are mounted. Instead, these switches are each arranged directly on a metallic cooling block which has at least one cooling channel through which a coolant can be conducted. As a result, the heat dissipation from the switches is significantly improved compared to an assembly with an electrically insulating component carrier on which the switches are arranged.
- Electromagnetic compatibility is improved compared to conventional assemblies on the one hand by compensating for magnetic fields generated by the electrical currents flowing through the switches and on the other hand by spatial limitation of electrical fields caused by potential differences between electrical potentials of the assembly.
- the compensation of the magnetic fields is achieved in that a compensation line, in which a half-bridge capacitor is arranged, runs parallel to the high-side switch, the low-side switch and their connecting line of each half-bridge.
- the compensation line provides a return path for the high-frequency current component that flows via the connection line, the high-side switch and the low-side switch.
- the high-frequency current flowing in the compensation line opposes the high-frequency current component flowing in the connecting line, the high-side switch and the low-side switch and therefore generates a magnetic field that is inverse to that in the connecting line, the high-side switch and the low-side switch flowing high-frequency current component generated magnetic field at least partially compensated.
- the spatial limitation of the electric fields is achieved in particular by the fact that the housing of the assembly is closed and connected to the negative pole of the DC link is connected.
- the electrical fields are essentially limited to the interior of the housing and electrical currents generated by these fields are returned to their sources over short distances.
- the electronic assembly has exactly one low-side cooling block on which all the low-side switches are arranged.
- this embodiment of the invention advantageously reduces the number of components of the assembly compared to an embodiment with a plurality of low-side cooling blocks, for example with a low-side cooling block for each low-side Switch.
- the DC voltage intermediate circuit has a capacitor unit with a capacitance which, for functional reasons, is greater by a factor in the range from 10 to 50 than the capacitance of each half-bridge capacitor which is intended to carry the high-frequency current components in the MHz to GHz range .
- the connecting line and the compensation line of each half-bridge run at a maximum distance of 3 mm from one another.
- This embodiment of the invention takes into account that the compensation of the magnetic fields described above, which are generated by the currents flowing in the connecting line, the high-side switch and the low-side switch and the compensation line of a half-bridge, with decreasing distance of the compensation line from of the connection line, the high-side switch and the low-side switch increases. Therefore, the smallest possible distance between the compensation line and the connecting line is advantageous.
- each high-side cooling block is arranged at a distance of at most 10 mm from each low-side cooling block.
- This embodiment of the invention takes into account that a high-side cooling block is almost always at a different electrical potential than a low-side cooling block. This potential difference causes an electric field, the spatial extent of which can be reduced by reducing the distance between the high-side cooling block and the low-side cooling block. A small distance between the high-side cooling block and the low-side cooling block is therefore advantageous in order to limit the spatial expansion of the electric field.
- the connecting line, the high-side switch and the low-side switch and the compensation line of each half-bridge have the same width or the same width and thickness. This advantageously enables a particularly good compensation of the magnetic fields through a similar design of the connecting line, the high-side switch and the low-side switch and the compensation line.
- the electronic assembly has a multi-layer printed circuit board, which has a first layer with contact elements for the connecting lines, the high-side switches and the low-side switches of the half-bridges and a second layer in which the compensation line sections of the compensation lines get lost.
- a printed circuit board advantageously enables the contact elements of the connecting lines, the high-side switches and the low-side switches and compensation line sections to be arranged at a defined, very small distance from one another in different layers of the printed circuit board.
- no bonding wires which have the disadvantages mentioned above, are used for the electrical connection of the high-side switch and the low-side switch of a half-bridge.
- the printed circuit board can also have a third layer with an electrically conductive first voltage supply area connected to the positive pole and a fourth layer with an electrically conductive second voltage supply area connected to the negative pole.
- the two voltage supply surfaces advantageously form a flat one Power supply that allows high-frequency electrical currents to flow back to the sources (namely the electronic switches) over short distances.
- the arrangement of the voltage supply areas in layers of the printed circuit board also enables the poles of this voltage supply to be arranged at a defined, very small distance from one another, as a result of which the electrical field generated by the voltage supply areas is advantageously spatially limited.
- the printed circuit board can also advantageously have further layers, for example on a side of the fourth layer facing away from the third layer, for example for wiring and equipping control and evaluation circuits related to the reference potential the assembly.
- the circuit board can have a fifth layer on or in which all the half-bridge capacitors are arranged.
- the arrangement of the half-bridge capacitors on or in a fifth, in particular an outer layer of the printed circuit board makes sense, since the half-bridge capacitors have a greater overall height than the other compensation line sections and therefore an arrangement of the half-bridge capacitors in the same layer as these compensation line sections can be unfavorable.
- the housing of the electronic assembly is at least partially filled with a dielectric, for example with a dielectric that has a relative permittivity of at least 3.
- the dielectric can increase the dielectric strength of the interior of the housing, as a result of which the distances between components with high potential differences in the interior of the housing can be reduced, which in turn advantageously spatially limits the electrical fields generated by the potential differences.
- the dielectric is also, for example, a thermoplastic, a duroplastic or an insulating potting. This allows in particular a simple mechanical Fixation of components such as the cooling blocks can be achieved in the interior of the housing by means of the dielectric.
- FIG. 2 shows a perspective representation of components of the assembly arranged in a housing of an electronic assembly
- FIG. 3 shows a perspective representation of components of the assembly arranged in a housing of an electronic assembly as in FIG. 2 with a printed circuit board arranged in the housing,
- FIG. 4 shows a perspective representation of components of the assembly arranged in a housing of an electronic assembly as in FIG. 2 with components arranged on a first layer of a printed circuit board
- FIG. 5 shows a perspective representation of components of the assembly arranged in a housing of an electronic assembly as in FIG. 2 with a second layer of a printed circuit board
- FIG. 6 shows the same representation as in FIG. 5 with half-bridge capacitors arranged over the second layer of the printed circuit board
- FIG. 7 shows a perspective representation of components of the assembly arranged in a housing of an electronic assembly as in FIG. 2 with a third layer of a printed circuit board
- 8 shows a perspective representation of components of the assembly arranged in a housing of an electronic assembly as in FIG. 2 with a fourth layer of a printed circuit board
- FIG. 9 shows a perspective view of the components of an electronic assembly with a dielectric shown in FIG.
- FIG. 10 shows a perspective view of an electronic assembly with a closed housing
- FIG. 11 schematically shows a first exemplary embodiment of a cooling system for an electronic assembly
- FIG. 12 schematically shows a second exemplary embodiment of a cooling system for an electronic assembly
- FIG. 13 schematically shows a third exemplary embodiment of a cooling system for an electronic assembly.
- FIG. 1 to 10 show perspective views of an embodiment of an electronic assembly 100 according to the invention (shown in Figure 10) or of parts of the assembly 100 (shown in Figures 1 to 9).
- the assembly 100 includes an electrical intermediate DC voltage circuit 6.1 (shown schematically in FIG. 2) with a positive pole and a negative pole and a capacitor unit.
- the electrical potential of the negative pole defines a reference potential (ground potential) of the assembly 100.
- the DC voltage intermediate circuit 6.1 is arranged in an intermediate circuit housing 6.
- the assembly 100 includes three half-bridges 101, each with an electronic one connected to the positive pole High-side switch 1 and an electronic low-side switch 2 connected to the negative pole, which are electrically connected in series.
- the assembly 100 includes three metallic high-side cooling blocks 3, on each of which one of the high-side switches 1 is arranged, and a low-side cooling block 4, on which the low-side switches 2 are arranged.
- the intermediate circuit housing 6, the half-bridges 101 and the cooling blocks 3, 4 are arranged in a metallic housing 5 of the assembly 100.
- the housing 5 is closed with a housing cover 5.1 and has two coolant connections 7, 8 for supplying and removing a coolant.
- the high-side switch 1 and the low-side switch 2 are each designed as a transistor with a semiconductor with a wide bandgap (Wide Bandgap Transistor, WBT for short), e.g. in GaN or SiC technology .
- WBT Wide Bandgap Transistor
- they can also each be designed as a different electronic switch, for example as an IGBT (abbreviation for insulated-gate bipolar transistor, German: bipolar transistor with insulated gate electrode) and a freewheeling diode connected antiparallel.
- IGBT abbreviation for insulated-gate bipolar transistor, German: bipolar transistor with insulated gate electrode
- the terms drain, source and gate used for the electrical connections of a WBT are to be replaced by corresponding terms, for example in the case of an IGBT drain by collector and source by emitter.
- FIG 1 shows the cooling blocks 3, 4, the high-side switch 1 and the low-side switch 2.
- the cooling blocks 3, 4 have cooling channels 19, 20 connected to one another and to the coolant connections 7, 8 (see Figure 11), through which the coolant between the coolant connections 7, 8 can be conducted.
- the cooling channels 19, 20 of the cooling blocks 3, 4 are connected to one another by coolant lines 9, which are each designed as a pipe or a hose, for example.
- the high-side cooling blocks 3 are arranged next to one another at a distance e from one another. Each high-side cooling block 3 is at a distance d from the low- Side cooling block 4 arranged.
- the distance e is, for example, at most 30 mm
- the distance d is, for example, at most 10 mm.
- each cooling block 3, 4 has a base body 10 and a connecting metal layer 10.1 applied thereto, on which the respective high-side switch 1 is applied or the low-side switches 2 are applied.
- the connecting metal layers 10.1 can be omitted if the base body 10 of the cooling blocks 3, 4 is made of a suitable metal, so that the high-side switch 1 is directly on the base body 10 of a high-side cooling block 3 and the Low-side switch 2 can each be applied directly to the base body 10 of the low-side cooling block 4.
- FIG. 2 shows the cooling blocks 3, 4, the high-side switch 1, the low-side switch 2 and the intermediate circuit housing 6 in the housing 5, which is shown here and in FIGS. 3 to 8 without the housing cover 5.1 is.
- the intermediate circuit housing 6 is arranged laterally next to the cooling blocks 3, 4.
- a positive high-potential busbar 11 and a negative high-potential busbar 12 are led out of the intermediate circuit housing 6 .
- the positive high-potential rail 11 connects the high-side switch 1 to the positive pole.
- the negative high-potential rail 12 connects the low-side switches 2 to the negative pole.
- the high-side cooling blocks 3 are electrically insulated from one another, from the positive high-potential rail 11 and from the low-side cooling block 4 .
- the low-side cooling block 4 is isolated from connecting lines 15 which electrically connect the high-side switch 1 and the low-side switch 2 of a half-bridge 101 to one another, and is electrically conductively connected to the negative pole and to the housing 5 .
- Figures 3 to 8 show the interconnection of the high-side switch 1 and the low-side switch 2 using a multi-layer printed circuit board 13.
- FIG 3 shows the arrangement of the printed circuit board 13 over the high-side switches 1 and the low-side switches 2.
- a half-bridge capacitor 14 is arranged for each half-bridge 101 in the fifth layer 13.5 of the printed circuit board 13, facing away from the switches 1 and the low-side switches 2.
- Each half-bridge capacitor 14 has, for example, a capacitance that is smaller by a factor in the range from 10 to 50 than the capacitance of the capacitor unit of the DC voltage intermediate circuit 6.1.
- each half-bridge capacitor 14 is preferably designed as an SMD-like component (SMD: abbreviation for surface-mounted device, German: surface-mounted component) with a low overall height, for example as a film, silicon or ceramic capacitor.
- SMD SMD-like component
- FIG. 4 shows contact elements 13.1a to 13.1c and 13.1e to arranged on a first layer 13.1 of printed circuit board 13, which faces high-side switches 1, low-side switches 2 and connecting lines 15 13.1g, which implement the interconnection of the high-side switch 1 and low-side switch 2 by means of the connecting lines 15 to form half-bridges 101.
- Each connecting line 15 runs between the high-side switch 1 and the low-side switch 2 of a half-bridge 101 and has a half-bridge tap 16 of the half-bridge 101 .
- the half-bridge taps 16 are offset from one another. As a result, for example, the connection of a field-compensated three-phase cable to the half-bridge taps 16 can be simplified. A magnetic field surrounding the half-bridge taps 16 can be used, for example, for the inductive phase current measurement of a three-phase consumer connected to the half-bridge taps 16 .
- Each contact element 13.1a connects the negative high-potential rail 12 and thus the negative pole to the source of a low-side switch.
- Each contact element 13.1c connects a connecting line 15 to the drain of a low-side switch 1.
- Each contact element 13.1e connects a connecting line 15 to the source of a high-side switch 1 and thus to the associated high-side cooling block 3.
- Each Contact element 13.1g connects the positive high-potential rail 11 and thus the positive pole to the drain of a High-side switch 1.
- Each contact element 13.1 b contacts the gate of a
- Each contact element 13.1f makes contact with the gate of a high-side switch 1.
- connection lines 15, the positive high-potential busbar 11 and the negative high-potential busbar 12 each end flush with the high-side switches 1 and/or low-side switches 2 assigned to them, which enables simple electrical contacting and connection with these switches.
- the connection lines 15 are therefore flat and wide, which also has an advantageous effect on the heat transfer at the connection points to the switches 1, 2 and the reduction in the inductance of the half-bridge arrangement.
- FIG. 5 (FIG. 5) and FIG. 6 (FIG. 6) show a second layer 13.2 of the printed circuit board 13, which is arranged over the first layer 13.1.
- FIG. 6 also shows the arrangement of the half-bridge capacitors 14 over the second layer 13.2.
- the second layer 13.2 has two compensation line sections 13.2a and 13.2b for each half-bridge 101, each of which is electrically connected, for example through a plated-through hole in the printed circuit board 13, at one end to the negative pole or to the positive pole and at the other end to the half-bridge capacitor 14 of the half-bridge 101 are connected and form a compensation line 17 with this half-bridge capacitor 14, which runs parallel to the connecting line 15, the high-side switch 1 and low-side switch 2 of the half-bridge 101.
- the compensation line sections 13.2a and 13.2b preferably have the same width or the same width and thickness as the connecting lines 15 and the high-side switch 1 and low-side switch 2.
- Each compensation line 17 provides a return path for a current flowing via the corresponding connection line 15 and the corresponding high-side switch 1 and low-side switch 2 .
- the current flowing in the compensation line 17 is the one in the
- Connection line 15 the high-side switch 1 and low-side switch 2 opposite current flowing and therefore generates a magnetic field that of the magnetic field generated in the connecting line 15, the high-side switch 1 and the low-side switch 2 is at least partially compensated.
- high-frequency components of electric fields corresponding to these currents are spatially limited to an area around the compensation lines 17 and connecting lines 15, the high-side switches 1 and low-side switches 2.
- FIG. 7 shows a third layer 13.3 of the printed circuit board 13, which is arranged over the second layer 13.2.
- the third layer 13.3 has an electrically conductive first voltage supply area 13.3e, which is electrically connected to the positive high-potential rail 11 and thus to the positive pole.
- the high-potential rail 11 is electrically connected approximately every 2 cm to the first voltage supply area 13.3e.
- the first voltage supply area 13.3e has three cutouts 13.3f, 13.3g, 13.3h for each half-bridge 101. Through the first recess 13.3f is a pair of control terminals 13.3a for the low-side switch 2 of the
- Half bridge 101 for example, for its gate and source out.
- FIG. 8 shows a fourth layer 13.4 of the printed circuit board 13, which is arranged over the third layer 13.3.
- the fourth layer 13.4 has an electrically conductive second voltage supply surface 13.4e (ground surface), which is electrically connected to the negative high-potential rail 12 and thus to the negative pole.
- the negative high-potential rail 12 is electrically connected to the second voltage supply area 13.4e approximately every 2 cm.
- the second voltage supply area 13.4e has three cutouts 13.4f, 13.4g, 13.4h for each half-bridge 101, which correspond to the cutouts 13.3f, 13.3g, 13.3h in the first voltage supply area 13.3e.
- the numbering of the layers 13.1 to 13.5 does not necessarily imply a physical arrangement of the layers 13.1 to 13.5 corresponding to this numbering.
- the printed circuit board 13 can also have other layers not mentioned here, for example a sixth layer, which is arranged between the fourth layer 13.4 and the fifth layer 13.5.
- FIG. 9 shows a dielectric 18 with which the housing 5 (not shown in FIG. 9) is optionally partially filled.
- the dielectric 18 fills the gaps between the cooling blocks 3, 4 and between the high-side cooling blocks 3 and the intermediate circuit housing 6 and the wall of the housing 5 and the circuit board 13 opposite it.
- the dielectric 18 has a relative permittivity of at least 3.
- the dielectric 18 can increase the dielectric strength of the interior of the housing 5, as a result of which the distances between components with high potential differences in the interior of the housing 5 can be reduced, which in turn spatially limits the electric fields generated by the potential differences.
- the increased permittivity of the dielectric of at least 3 compared to air of 1 leads to a field concentration of the electric field in the dielectric 18 and thus to a field reduction outside.
- the dielectric 18 can be, for example, a thermoplastic or a duroplastic or a casting. In this way, in particular, a simple mechanical fixation of components such as the cooling blocks 3, 4 in the interior of the housing 5 can be achieved.
- FIG 10 shows the housing 5 of the assembly 100 closed with the housing cover 5.1.
- the closed housing 5 and the connection of the housing 5 to the negative pole become the high-side switch 1, the low-side switch 2 and the electric field surrounding the intermediate DC circuit 6.1 and generated by the potential differences spatially substantially on the
- the interior of the housing 5 is limited and electric currents caused by the electric field are fed back to their sources over short distances.
- FIGS 11 to 13 schematically show various exemplary embodiments of the cooling system of an assembly 100 according to the invention. Shown are cooling channels 19, each of which runs in a high-side cooling block 3, cooling channels 20, which run in the low-side cooling block 4, and coolant lines 9 , the cooling channels 19, 20 connect.
- the arrows show the flow of coolant in the cooling system.
- FIG. 11 shows an exemplary embodiment of the cooling system in which the cooling channels 19, 20 are connected to one another in series by the coolant lines 9, so that the coolant flow is routed through the cooling channels 19, 20 without branching.
- This exemplary embodiment of the cooling system is implemented, for example, in the assembly 100 shown in FIGS.
- FIG. 12 shows an exemplary embodiment of the cooling system in which the cooling channels 19, 20 are connected to one another in a partially parallel manner by the coolant lines 9.
- the coolant flow is divided between the cooling channels 19 of the high-side cooling blocks 3 by two branches.
- FIG. 13 shows an exemplary embodiment of the cooling system in which the cooling channels 19, 20 are connected to one another in parallel by the coolant lines 9.
- the flow of coolant is divided by a branch to the cooling channels 19 of the high-side cooling blocks 3 .
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
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- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft eine elektronische Baugruppe (100) mit einem elektrischen Gleichspannungszwischenkreis (6.1) mit einem Pluspol und einem Minuspol und wenigstens einer Halbbrücke (101) mit einem mit dem Pluspol verbundenen elektronischen High-Side-Schalter (1) und einem mit dem Minuspol verbundenen elektronischen Low-Side-Schalter (2). Die Baugruppe (100) umfasst ferner wenigstens einen metallischen Low-Side-Kühlblock (4), auf dem wenigstens ein Low-Side-Schalter (2) angeordnet ist, und für jeden High-Side-Schalter (1) einen metallischen High-Side-Kühlblock (3), auf dem der High-Side-Schalter (1) angeordnet ist. Die Kühlblöcke (3, 4) weisen miteinander verbundene Kühlkanäle (19, 20) auf, durch die ein Kühlmittel leitbar ist. Die beiden elektronischen Schalter (1, 2) jeder Halbbrücke (101) sind durch eine Verbindungsleitung (15), die einen Halbbrückenabgriff (16) der Halbbrücke aufweist, und eine parallel zu der Verbindungsleitung (15), dem High-Side- Schalter (1) und dem Low-Side-Schalter (2) verlaufende Kompensationsleitung (17) elektrisch verbunden. Jeder Low-Side-Kühlblock (4) ist mit dem Minuspol und elektrisch leitend mit einem geschlossenen metallischen Gehäuse (5) der Baugruppe (100) verbunden.
Description
Beschreibung
Elektronische Baugruppe
Die Erfindung betrifft eine elektronische Baugruppe mit wenigstens einer Halbbrücke, die zwei in Serie geschaltete elektronische Schalter aufweist.
Eine derartige elektronische Baugruppe wird beispielsweise in Spannungsreglern und Spannungswandlern verwendet. Die elektronischen Schalter der Baugruppe werden üblicherweise auf einer Seite eines elektrisch isolierenden Bauteilträgers, beispielsweise einer Keramik aufgebracht, beispielsweise durch Löten oder Sintern. Der Bauteilträger ist zur Wärmespreizung in der Regel beidseitig mit Metall, beispielsweise mit Kupfer beschichtet. Die untere metallbeschichtete Seite des Bauteilträgers wird häufig, beispielsweise durch Löten oder Sintern, auf ein schirmend ausgeführtes metallisches Gehäuse eines Steuergerätes aufgebracht, welches mit Kühlkanälen durchzogen ist. Wenn ein Kühlmittel durch diese Kühlkanäle fließt, kann die von dem Kühlmittel aufgenommene Wärmeenergie nach außen, das heißt von den elektronischen Schaltern weg, transportiert werden.
Dabei bildet der Bauteilträger den Flaschenhals des Wärmeübertragungspfades. Aufgrund der Übertragung der Wärme mittels Gitterschwingungen des Isolators kann nur ein deutlich geringerer Wärmestrom als durch Metalle, deren Wärmeübertragung auf beweglichen Elektronen beruht, transportiert werden, beispielsweise nur ein Zehntel bis ein Drittel des von einem Metall transportierbaren Wärmestroms.
Außerdem bildet der beidseitig mit Metall beschichtete Bauteilträger einen Plattenkondensator, dessen Kapazität in einem hohen pF-Bereich liegen kann. Der durch die Schaltspannungen der elektronischen Schalter durch diese Kapazität getriebene Strom liegt bei Invertern bzw. Konvertern im vielfachen kW- Bereich bei einer Frequenz von 10 MHz noch im mA-Bereich. Ströme in diesem
Frequenzbereich dürfen jedoch 1 ,3 pA nicht überschreiten, damit die Emissionsgrenzwerte eingehalten werden.
Zur elektrischen Verbindung der elektronischen Schalter werden ferner in der Regel Bonddrähte eingesetzt. Dadurch werden großflächige Stromkreise aufgespannt, die bei Strömen von mehreren hundert Ampere zu starken Magnetfeldern führen, welche die Umgebung durchdringen und potentiell stören. Auch die elektrischen Felder, die bei Potentialdifferenzen beispielsweise im kV- Bereich in dem System auftreten, ragen bei dieser Aufbautechnologie weit in den umgebenden Raum hinaus und können potentiell stören.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich der Kühlung und der elektromagnetischen Verträglichkeit verbesserte elektronische Baugruppe mit wenigstens einer Halbbrücke, die zwei in Serie geschaltete elektronische Schalter aufweist, anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektronische Baugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße elektronische Baugruppe umfasst
- einen elektrischen Gleichspannungszwischenkreis mit einem Pluspol und einem Minuspol,
- wenigstens eine Halbbrücke mit einem mit dem Pluspol verbundenen elektronischen High-Side-Schalter und einem mit dem Minuspol verbundenen elektronischen Low-Side-Schalter,
- für jeden High-Side-Schalter einen metallischen High-Side-Kühlblock, auf dem der High-Side-Schalter angeordnet ist,
- wenigstens einen metallischen Low-Side-Kühlblock, auf dem wenigstens ein Low-Side-Schalter angeordnet ist,
- ein metallisches geschlossenes Gehäuse, in dem der Gleichspannungszwischenkreis, jede Halbbrücke und jeder Kühlblock angeordnet sind und das Kühlmittelanschlüsse zur Zuführung und Abführung eines Kühlmittels
aufweist, wobei
- die Kühlblöcke jeweils wenigstens einen Kühlkanal aufweisen und die Kühlkanäle miteinander und mit den Kühlmittelanschlüssen verbunden sind, so dass ein Kühlmittel zwischen den Kühlmittelanschlüssen durch die Kühlkanäle leitbar ist,
- der High-Side-Schalter und der Low-Side-Schalter jeder Halbbrücke durch eine Verbindungsleitung, die einen Halbbrückenabgriff der Halbbrücke aufweist, und eine parallel zu der Verbindungsleitung, dem High-Side-Schalter und dem Low- Side-Schalter verlaufende Kompensationsleitung, in der ein Halbbrückenkondensator angeordnet ist, elektrisch verbunden sind,
- die High-Side-Kühlblöcke voneinander, von dem Pluspol und von jedem Low- Side-Kühlblock elektrisch isoliert sind, und
-jeder Low-Side-Kühlblock von den Verbindungsleitungen isoliert und mit dem Minuspol und mit dem Gehäuse elektrisch leitend verbunden ist.
Die Begriffe High-Side-Schalter und Low-Side-Schalter werden hier verwendet, um die mit dem Pluspol verbundenen elektronischen Schalter (High-Side-Schalter) von den mit dem Minuspol verbundenen elektronischen Schaltern (Low-Side- Schalter) zu unterscheiden. Die Begriffe beziehen sich also auf die elektrische Verschaltung der Schalter in der Baugruppe, nicht auf die physikalische Ausbildung der Schalter. Physikalisch können die High-Side-Schalter und die Low- Side-Schalter identisch ausgebildet sein. Die Begriffe High-Side-Kühlblock und Low-Side-Kühlblock werden hier verwendet, um einen Kühlblock, auf dem ein High-Side-Schalter angeordnet ist, von einem Kühlblock zu unterscheiden, auf dem wenigstens ein Low-Side-Schalter angeordnet ist. Diese Begriffe beziehen sich somit auf die Zuordnung des jeweiligen Kühlblocks zu einem High-Side- Schalter oder wenigstens einem Low-Side-Schalter, nicht auf die physikalische Ausbildung des Kühlblocks. Ein High-Side-Kühlblock kann daher physikalisch ähnlich wie ein Low-Side-Kühlblock ausgebildet sein.
Eine erfindungsgemäße elektronische Baugruppe unterscheidet sich von oben beschriebenen herkömmlichen Baugruppen einerseits durch eine verbesserte
Kühlung und andererseits durch eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit.
Die Kühlung wird dadurch verbessert, dass die Baugruppe keinen elektrisch isolierenden Bauteilträger aufweist, auf dem die High-Side-Schalter und Low-Side- Schalter aufgebracht sind. Stattdessen sind diese Schalter jeweils direkt auf einem metallischen Kühlblock angeordnet, der wenigstens einen Kühlkanal aufweist, durch den ein Kühlmittel leitbar ist. Dadurch wird die Wärmeabfuhr von den Schaltern wesentlich verbessert gegenüber einer Baugruppe mit einem elektrisch isolierenden Bauteilträger, auf dem die Schalter angeordnet sind.
Die elektromagnetische Verträglichkeit wird einerseits durch eine Kompensation von Magnetfeldern, die von den durch die Schalter fließenden elektrischen Strömen erzeugt werden, und andererseits durch eine räumliche Begrenzung von elektrischen Feldern, die von Potentialdifferenzen zwischen elektrischen Potentialen der Baugruppe verursacht werden, gegenüber herkömmlichen Baugruppen verbessert.
Die Kompensation der Magnetfelder wird dadurch erreicht, dass parallel zu dem High-Side-Schalter, dem Low-Side-Schalter und deren Verbindungsleitung jeder Halbbrücke eine Kompensationsleitung verläuft, in der ein Halbbrückenkondensator angeordnet ist. Die Kompensationsleitung stellt einen Rückflusspfad für den hochfrequenten Stromanteil bereit, der über die Verbindungsleitung, den High-Side-Schalter und den Low-Side-Schalter fließt. Der in der Kompensationsleitung fließende hochfrequente Strom ist dem in der Verbindungsleitung, dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter fließenden hochfrequenten Stromanteil entgegengesetzt und erzeugt daher ein Magnetfeld, das das von dem in der Verbindungsleitung, dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter fließenden hochfrequenten Stromanteil erzeugte Magnetfeld zumindest teilweise kompensiert.
Die räumliche Begrenzung der elektrischen Felder wird insbesondere dadurch erreicht, dass das Gehäuse der Baugruppe geschlossen und mit dem Minuspol
des Gleichspannungszwischenkreises verbunden ist. Dadurch werden die elektrischen Felder im Wesentlichen auf das Innere des Gehäuses begrenzt und von diesen Feldern erzeugte elektrische Ströme werden auf kurzen Wegen wieder ihren Quellen zugeführt.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung weist die elektronische Baugruppe genau einen Low-Side-Kühlblock auf, auf dem alle Low-Side-Schalter angeordnet sind. Diese Ausgestaltung der Erfindung reduziert im Fall, dass die Baugruppe mehrere Halbbrücken mit elektronischen Schaltern aufweist, vorteilhaft die Anzahl von Bauelementen der Baugruppe gegenüber einer Ausführung mit mehreren Low- Side-Kühlblöcken, beispielsweise mit einem Low-Side-Kühlblock für jeden Low- Side-Schalter.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Gleichspannungszwischenkreis eine Kondensatoreinheit mit einer Kapazität auf, die funktional bedingt um einen Faktor im Bereich von 10 bis 50 größer als die Kapazität jedes Halbbrückenkondensators, der die hochfrequenten Stromanteile im MHz- bis GHz-Bereich führen soll, ist.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung verlaufen die Verbindungsleitung und die Kompensationsleitung jeder Halbbrücke in einem Abstand von höchstens 3 mm voneinander. Diese Ausgestaltung der Erfindung berücksichtigt, dass die oben beschriebene Kompensation der Magnetfelder, die von den in der Verbindungsleitung, dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter und der Kompensationsleitung einer Halbbrücke fließenden Strömen erzeugt werden, mit abnehmendem Abstand der Kompensationsleitung von der Verbindungsleitung, dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter zunimmt. Daher ist ein möglichst geringer Abstand der Kompensationsleitung von der Verbindungsleitung vorteilhaft.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist jeder High-Side-Kühlblock von jedem Low-Side-Kühlblock in einem Abstand von höchstens 10 mm angeordnet. Diese Ausgestaltung der Erfindung berücksichtigt, dass ein High-Side-Kühlblock
praktisch immer auf einem anderen elektrischen Potential als ein Low-Side- Kühlblock liegt. Diese Potentialdifferenz verursacht ein elektrisches Feld, dessen räumliche Ausdehnung durch eine Reduzierung des Abstands zwischen dem High-Side-Kühlblock und dem Low-Side-Kühlblock reduziert werden kann. Daher ist ein geringer Abstand zwischen dem High-Side-Kühlblock und dem Low-Side- Kühlblock vorteilhaft, um die räumliche Ausdehnung des elektrischen Feldes zu begrenzen.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die Verbindungsleitung, der High-Side-Schalter und der Low-Side-Schalter und die Kompensationsleitung jeder Halbbrücke dieselbe Breite oder dieselbe Breite und Dicke auf. Dies ermöglicht vorteilhaft eine besonders gute Kompensation der Magnetfelder durch eine gleichartige Ausbildung der Verbindungsleitung, des High-Side-Schalters und des Low-Side-Schalters und der Kompensationsleitung.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die elektronische Baugruppe eine mehrlagige Leiterplatte auf, die eine erste Lage mit Kontaktelementen für die Verbindungsleitungen, die High-Side-Schalter und die Low-Side-Schalter der Halbbrücken und eine zweite Lage, in der Kompensationsleitungsabschnitte der Kompensationsleitungen verlaufen. Eine derartige Leiterplatte ermöglicht vorteilhaft eine Anordnung der Kontaktelemente der Verbindungsleitungen, der High-Side-Schalter und der Low-Side-Schalter und Kompensationsleitungsabschnitte in einem definierten, sehr geringen Abstand voneinander in voneinander verschiedenen Lagen der Leiterplatte. Ferner werden zur elektrischen Verbindung des High-Side-Schalters und des Low-Side-Schalters einer Halbbrücke keine Bonddrähte eingesetzt, die die oben genannten Nachteile aufweisen.
Die Leiterplatte kann ferner eine dritte Lage mit einer mit dem Pluspol verbundenen, elektrisch leitfähigen ersten Spannungsversorgungsfläche und eine vierte Lage mit einer mit dem Minuspol verbundenen, elektrisch leitfähigen zweiten Spannungsversorgungsfläche aufweisen. Die beiden Spannungsversorgungsflächen bilden vorteilhaft eine flächige
Spannungsversorgung, die den Rückfluss elektrischer Ströme hoher Frequenzen zu den Quellen (nämlich den elektronischen Schaltern) auf kurzen Wegen ermöglicht. Die Anordnung der Spannungsversorgungsflächen in Lagen der Leiterplatte ermöglicht ferner eine Anordnung der Pole dieser Spannungsversorgung in einem definierten, sehr geringen Abstand voneinander, wodurch das durch die Spannungsversorgungsflächen erzeugte elektrische Feld vorteilhaft räumlich begrenzt wird. Da der Minuspol in der Regel gleichzeitig das Bezugspotential der elektronischen Baugruppe vorgibt, kann die Leiterplatte außerdem, beispielsweise auf einer von der dritten Lage abgewandten Seite der vierten Lage, vorteilhaft weitere Lagen aufweisen, beispielsweise zum Verdrahten und Bestücken auf das Bezugspotential bezogener Ansteuer- und Auswerteschaltungen der Baugruppe.
Außerdem kann die Leiterplatte eine fünfte Lage aufweisen, auf oder in der alle Halbbrückenkondensatoren angeordnet sind. Die Anordnung der Halbbrückenkondensatoren auf oder in einer fünften, insbesondere einer äußeren Lage der Leiterplatte ist sinnvoll, da die Halbbrückenkondensatoren eine größere Bauhöhe als die übrigen Kompensationsleitungsabschnitte aufweisen und daher eine Anordnung der Halbbrückenkondensatoren in derselben Lage wie diese Kompensationsleitungsabschnitte ungünstig sein kann.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Gehäuse der elektronischen Baugruppe wenigstens teilweise mit einem Dielektrikum befüllt, beispielsweise mit einem Dielektrikum, das eine relative Perm ittivität von wenigstens 3 aufweist. Durch das Dielektrikum kann eine Durchschlagfestigkeit des Innenraumes des Gehäuses erhöht werden, wodurch die Abstände von Bauteilen mit hohen Potentialdifferenzen im Innenraum des Gehäuses reduziert werden können, wodurch wiederum die von den Potentialdifferenzen erzeugten elektrischen Felder vorteilhaft räumlich begrenzt werden.
Das Dielektrikum ist ferner beispielsweise ein Thermoplast, ein Duroplast oder ein isolierender Verguss. Dadurch kann insbesondere eine einfache mechanische
Fixierung von Bauteilen wie den Kühlblöcken im Innenraum des Gehäuses mittels des Dielektrikums erreicht werden.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
FIG 1 eine perspektivische Darstellung von Komponenten einer elektronischen Baugruppe,
FIG 2 eine perspektivische Darstellung von in einem Gehäuse einer elektronischen Baugruppe angeordneten Komponenten der Baugruppe,
FIG 3 eine perspektivische Darstellung von in einem Gehäuse einer elektronischen Baugruppe angeordneten Komponenten der Baugruppe wie in Figur 2 mit einer in dem Gehäuse angeordneten Leiterplatte,
FIG 4 eine perspektivische Darstellung von in einem Gehäuse einer elektronischen Baugruppe angeordneten Komponenten der Baugruppe wie in Figur 2 mit auf einer ersten Lage einer Leiterplatte angeordneten Bauelementen,
FIG 5 eine perspektivische Darstellung von in einem Gehäuse einer elektronischen Baugruppe angeordneten Komponenten der Baugruppe wie in Figur 2 mit einer zweiten Lage einer Leiterplatte,
FIG 6 dieselbe Darstellung wie in Figur 5 mit über der zweiten Lage der Leiterplatte angeordneten Halbbrückenkondensatoren,
FIG 7 eine perspektivische Darstellung von in einem Gehäuse einer elektronischen Baugruppe angeordneten Komponenten der Baugruppe wie in Figur 2 mit einer dritten Lage einer Leiterplatte,
FIG 8 eine perspektivische Darstellung von in einem Gehäuse einer elektronischen Baugruppe angeordneten Komponenten der Baugruppe wie in Figur 2 mit einer vierten Lage einer Leiterplatte,
FIG 9 eine perspektivische Darstellung der in Figur 1 dargestellten Komponenten einer elektronischen Baugruppe mit einem Dielektrikum,
FIG 10 eine perspektivische Darstellung einer elektronischen Baugruppe mit geschlossenem Gehäuse,
FIG 11 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kühlsystems einer elektronischen Baugruppe,
FIG 12 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kühlsystems einer elektronischen Baugruppe,
FIG 13 schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel eines Kühlsystems einer elektronischen Baugruppe.
Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Figuren 1 bis 10 zeigen perspektivische Darstellungen eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe 100 (dargestellt in Figur 10) beziehungsweise von Teilen der Baugruppe 100 (dargestellt in Figuren 1 bis 9). Die Baugruppe 100 umfasst einen elektrischen Gleichspannungszwischenkreis 6.1 (schematisch dargestellt in Figur 2) mit einem Pluspol und einem Minuspol und einer Kondensatoreinheit. Das elektrische Potential des Minuspols definiert ein Bezugspotential (Massepotential) der Baugruppe 100. Der Gleichspannungszwischenkreis 6.1 ist in einem Zwischenkreisgehäuse 6 angeordnet. Ferner umfasst die Baugruppe 100 drei Halbbrücken 101 mit jeweils einem mit dem Pluspol verbundenen elektronischen
High-Side-Schalter 1 und einem mit dem Minuspol verbundenen elektronischen Low-Side-Schalter 2, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Außerdem umfasst die Baugruppe 100 drei metallische High-Side-Kühlblöcke 3, auf denen jeweils einer der High-Side-Schalter 1 angeordnet ist, und einen Low-Side-Kühlblock 4, auf dem die Low-Side-Schalter 2 angeordnet sind. Das Zwischenkreisgehäuse 6, die Halbbrücken 101 und die Kühlblöcke 3, 4 sind in einem metallischen Gehäuse 5 der Baugruppe 100 angeordnet. Das Gehäuse 5 ist mit einem Gehäusedeckel 5.1 verschlossen und weist zwei Kühlmittelanschlüsse 7, 8 zur Zuführung und Abführung eines Kühlmittels auf.
Im Folgenden ist angenommen, dass die High-Side-Schalter 1 und die Low-Side- Schalter 2 jeweils als ein Transistor mit einem Halbleiter mit breitem Bandabstand (Wide Bandgap Transistor, abgekürzt WBT), z.B. in GaN oder SiC Technologie ausgeführt, ausgebildet sind. In anderen Ausführungsbeispielen können sie aber auch jeweils als ein anderer elektronischer Schalter ausgebildet sein, beispielsweise als ein IGBT (Abkürzung für insulated-gate bipolar transistor, deutsch: Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) und eine antiparallel geschaltete Freilaufdiode. Im letzteren Fall sind die für die elektrischen Anschlüsse eines WBT verwendeten Begriffe Drain, Source und Gate gegebenenfalls durch entsprechende Begriffe zu ersetzen, beispielsweise im Fall eines IGBT Drain durch Kollektor und Source durch Emitter.
Figur 1 (FIG 1 ) zeigt die Kühlblöcke 3, 4, die High-Side-Schalter 1 und die Low- Side-Schalter 2. Die Kühlblöcke 3, 4 weisen miteinander und mit den Kühlmittelanschlüssen 7, 8 verbundene Kühlkanäle 19, 20 (siehe Figur 11 ) auf, durch die das Kühlmittel zwischen den Kühlmittelanschlüssen 7, 8 leitbar ist. Die Kühlkanäle 19, 20 der Kühlblöcke 3, 4 sind durch Kühlmittelleitungen 9 miteinander verbunden, die beispielsweise jeweils als ein Rohr oder ein Schlauch ausgebildet sind.
Die High-Side-Kühlblöcke 3 sind nebeneinander mit einem Abstand e voneinander angeordnet. Jeder High-Side-Kühlblock 3 ist in einem Abstand d von dem Low-
Side-Kühlblock 4 angeordnet. Der Abstand e beträgt beispielsweise höchstens 30 mm, der Abstand d beträgt beispielsweise höchstens 10 mm.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist jeder Kühlblock 3, 4 einen Grundkörper 10 und eine darauf aufgebrachte Verbindungsmetallschicht 10.1 auf, auf der der jeweilige High-Side-Schalter 1 aufgebracht ist beziehungsweise die Low-Side-Schalter 2 aufgebracht sind. In anderen Ausführungsbeispielen können die Verbindungsmetallschichten 10.1 entfallen, wenn die Grundkörper 10 der Kühlblöcke 3, 4 jeweils aus einem geeigneten Metall gefertigt ist, so dass die High-Side-Schalter 1 jeweils direkt auf den Grundkörper 10 eines High-Side- Kühlblocks 3 und die Low-Side-Schalter 2 jeweils direkt auf den Grundkörper 10 des Low-Side-Kühlblocks 4 aufgebracht werden können.
Figur 2 (FIG 2) zeigt die Kühlblöcke 3, 4, die High-Side-Schalter 1 die Low-Side- Schalter 2 und das Zwischenkreisgehäuse 6 in dem Gehäuse 5, das hier und in den Figuren 3 bis 8 ohne den Gehäusedeckel 5.1 dargestellt ist. Das Zwischenkreisgehäuse 6 ist seitlich neben den Kühlblöcken 3, 4 angeordnet. Aus dem Zwischenkreisgehäuse 6 sind eine positive Hochpotentialschiene 11 und eine negative Hochpotentialschiene 12 herausgeführt. Die positive Hochpotentialschiene 11 verbindet die High-Side-Schalter 1 mit dem Pluspol. Die negative Hochpotentialschiene 12 verbindet die Low-Side-Schalter 2 mit dem Minuspol. Die High-Side-Kühlblöcke 3 sind voneinander, von der positiven Hochpotentialschiene 11 und von dem Low-Side-Kühlblock 4 elektrisch isoliert. Der Low-Side-Kühlblock 4 ist gegen Verbindungsleitungen 15, die jeweils den High-Side-Schalter 1 und den Low-Side-Schalter 2 einer Halbbrücke 101 elektrisch miteinander verbinden, isoliert und mit dem Minuspol und mit dem Gehäuse 5 elektrisch leitend verbunden.
Die Figuren 3 bis 8 zeigen die Verschaltung der High-Side-Schalter 1 und der Low-Side-Schalter 2 mittels einer mehrlagigen Leiterplatte 13.
Figur 3 (FIG 3) zeigt die Anordnung der Leiterplatte 13 über den High-Side- Schaltern 1 und den Low-Side-Schaltern 2. Auf einer von den High-Side-
Schaltern 1 und den Low-Side-Schaltern 2 abgewandten fünften Lage 13.5 der Leiterplatte 13 ist für jede Halbbrücke 101 ein Halbbrückenkondensator 14 angeordnet. Jeder Halbbrückenkondensator 14 weist beispielsweise eine Kapazität auf, die um einen Faktor im Bereich von 10 bis 50 kleiner ist als die Kapazität der Kondensatoreinheit des Gleichspannungszwischenkreises 6.1. Ferner ist jeder Halbbrückenkondensator 14 vorzugsweise als ein SMD-artiges Bauelement (SMD: Abkürzung für surface-mounted device, deutsch: oberflächenmontiertes Bauelement) mit einer geringen Bauhöhe ausgeführt, beispielsweise als Folien-, Silizium- oder Keramikkondensator.
Figur 4 (FIG 4) zeigt auf einer ersten Lage 13.1 der Leiterplatte 13, die den High- Side-Schaltern 1 , den Low-Side-Schaltern 2 und den Verbindungsleitungen 15 zugewandt ist, angeordnete Kontaktelemente 13.1a bis 13.1c und 13.1e bis 13.1g, die die Verschaltung der High-Side-Schalter 1 und Low-Side-Schalter 2 mittels der Verbindungsleitungen 15 zu Halbbrücken 101 realisieren. Jede Verbindungsleitung 15 verläuft zwischen dem High-Side-Schalter 1 und dem Low- Side-Schalter 2 einer Halbbrücke 101 und weist einen Halbbrückenabgriff 16 der Halbbrücke 101 auf.
Die Halbbrückenabgriffe 16 sind versetzt zueinander angeordnet. Dadurch kann beispielsweise der Anschluss eines feldkompensierten Dreiphasenkabels an die Halbbrückenabgriffe 16 erleichtert werden. Ein die Halbbrückenabgriffe 16 umgebendes Magnetfeld kann beispielsweise zur induktiven Phasenstrommessung eines an die Halbbrückenabgriffe 16 angeschlossenen dreiphasigen Verbrauchers genutzt werden.
Jedes Kontaktelement 13.1a verbindet die negative Hochpotentialschiene 12 und damit den Minuspol mit der Source eines Low-Side-Schalters. Jedes Kontaktelement 13.1c verbindet eine Verbindungsleitung 15 mit dem Drain eines Low-Side-Schalters 1. Jedes Kontaktelement 13.1e verbindet eine Verbindungsleitung 15 mit dem Source eines High-Side-Schalters 1 und damit mit dem zugehörigen High-Side-Kühlblock 3. Jedes Kontaktelement 13.1g verbindet die positive Hochpotentialschiene 11 und damit den Pluspol mit dem Drain eines
High-Side-Schalters 1. Jedes Kontaktelement 13.1 b kontaktiert das Gate eines
Low-Side-Schalters 2. Jedes Kontaktelement 13.1f kontaktiert das Gate eines High-Side-Schalters 1.
Die Verbindungsleitungen 15, die positive Hochpotentialschiene 11 und die negative Hochpotentialschiene 12 schließen jeweils plan mit den ihnen zugeordneten High-Side-Schaltern 1 und/oder Low-Side-Schaltern 2 ab, wodurch eine einfache elektrische Kontaktierung und Verbindung mit diesen Schaltern ermöglicht wird. Die Verbindungsleitungen 15 sind daher flach und breit ausgeführt, was sich auch vorteilhaft auf die Wärmeübertragung an den Verbindungsstellen zu den Schaltern 1 , 2 und die Reduktion der Induktivität der Halbbrückenanordnung auswirkt.
Figur 5 (FIG 5) und Figur 6 (FIG 6) zeigen eine zweite Lage 13.2 der Leiterplatte 13, die über der ersten Lage 13.1 angeordnet ist. Figur 6 zeigt zudem die Anordnung der Halbbrückenkondensatoren 14 über der zweiten Lage 13.2.
Die zweite Lage 13.2 weist für jede Halbbrücke 101 zwei Kompensationsleitungsabschnitte 13.2a und 13.2b auf, die jeweils, beispielsweise durch eine Durchkontaktierung in der Leiterplatte 13, elektrisch an dem einen Ende mit dem Minuspol bzw. mit dem Pluspol und am anderen Ende mit dem Halbbrückenkondensator 14 der Halbbrücke 101 verbunden sind und mit diesem Halbbrückenkondensator 14 eine Kompensationsleitung 17 bilden, die parallel zu der Verbindungsleitung 15, dem High-Side-Schalter 1 und Low-Side-Schalter 2 der Halbbrücke 101 verläuft. Die Kompensationsleitungsabschnitte 13.2a und 13.2b weisen vorzugsweise dieselbe Breite oder dieselbe Breite und Dicke wie die Verbindungsleitungen 15 und die High-Side-Schalter 1 und Low-Side-Schalter 2 auf. Jede Kompensationsleitung 17 stellt einen Rückflusspfad für einen Strom bereit, der über die korrespondierende Verbindungsleitung 15 und dem korrespondierenden High-Side-Schalter 1 und Low-Side-Schalter 2 fließt. Der in der Kompensationsleitung 17 fließende Strom ist dem in der
Verbindungsleitung 15, dem High-Side-Schalter 1 und Low-Side-Schalter 2 fließenden Strom entgegengesetzt und erzeugt daher ein Magnetfeld, das das von
dem in der Verbindungsleitung 15, dem High-Side-Schalter 1 und Low-Side- Schalter 2 fließenden Strom erzeugte Magnetfeld zumindest teilweise kompensiert. Außerdem werden hochfrequente Anteile zu diesen Strömen korrespondierender elektrischer Felder räumlich auf einen Bereich um die Kompensationsleitungen 17 und Verbindungsleitungen 15, den High-Side- Schaltern 1 und Low-Side-Schaltern 2 begrenzt.
Figur 7 (FIG 7) zeigt eine dritte Lage 13.3 der Leiterplatte 13, die über der zweiten Lage 13.2 angeordnet ist. Die dritte Lage 13.3 weist eine elektrisch leitfähige erste Spannungsversorgungsfläche 13.3e auf, die elektrisch mit der positiven Hochpotentialschiene 11 und damit mit dem Pluspol verbunden ist. Beispielsweise ist die Hochpotentialschiene 11 etwa alle 2 cm elektrisch mit der ersten Spannungsversorgungsfläche 13.3e verbunden.
Die erste Spannungsversorgungsfläche 13.3e weist für jede Halbbrücke 101 drei Ausnehmungen 13.3f, 13.3g, 13.3h auf. Durch die erste Ausnehmung 13.3f ist ein Paar von Steueranschlüssen 13.3a für den Low-Side-Schalter 2 der
Halbbrücke 101 , beispielsweise für dessen Gate und Source, geführt. Durch die zweite Ausnehmung 13.3g ist ein Paar von Steueranschlüssen 13.3b für den High- Side-Schalter 1 der Halbbrücke 101 , beispielsweise für dessen Gate und Source, geführt. Durch die dritte Ausnehmung 13.3h sind ein mit dem Minuspol verbundener Kontakt 13.3c und ein mit dem Pluspol verbundener Kontakt 13.3d geführt, die jeweils mit einer Elektrode des Halbbrückenkondensators 14 der Halbbrücke 101 verbunden sind.
Figur 8 (FIG 8) zeigt eine vierte Lage 13.4 der Leiterplatte 13, die über der dritten Lage 13.3 angeordnet ist. Die vierte Lage 13.4 weist eine elektrisch leitfähige zweite Spannungsversorgungsfläche 13.4e (Massefläche) auf, die elektrisch mit der negativen Hochpotentialschiene 12 und damit mit dem Minuspol verbunden ist. Beispielsweise ist die negative Hochpotentialschiene 12 etwa alle 2 cm elektrisch mit der zweiten Spannungsversorgungsfläche 13.4e verbunden.
Die zweite Spannungsversorgungsfläche 13.4e weist für jede Halbbrücke 101 drei Ausnehmungen 13.4f, 13.4g, 13.4h auf, die zu den Ausnehmungen 13.3f, 13.3g, 13.3h der ersten Spannungsversorgungsfläche 13.3e korrespondieren.
Die Nummerierung der Lagen 13.1 bis 13.5 impliziert nicht notwendig eine diese Nummerierung entsprechende physikalische Anordnung der Lagen 13.1 bis 13.5. Die Leiterplatte 13 kann ferner weitere, hier nicht genannte Lagen aufweisen, beispielsweise eine sechste Lage, die zwischen der vierten Lage 13.4 und der fünften Lage 13.5 angeordnet ist.
Figur 9 (FIG 9) zeigt ein Dielektrikum 18, mit dem das (in Figur 9 nicht dargestellte) Gehäuse 5 optional teilweise befüllt ist. Das Dielektrikum 18 füllt die Zwischenräume zwischen den Kühlblöcken 3, 4 sowie zwischen den High-Side- Kühlblöcken 3 und dem Zwischenkreisgehäuse 6 und der ihm gegenüberliegenden Wand des Gehäuses 5 und der Leiterplatte 13 aus. Beispielsweise weist das Dielektrikum 18 eine relative Permittivität von wenigstens 3 auf. Durch das Dielektrikum 18 kann eine Durchschlagfestigkeit des Innenraumes des Gehäuses 5 erhöht werden, wodurch die Abstände von Bauteilen mit hohen Potentialdifferenzen im Innenraum des Gehäuses 5 reduziert werden können, wodurch wiederum die von den Potentialdifferenzen erzeugten elektrischen Felder räumlich begrenzt werden. Außerdem führt die erhöhte Permittivität des Dielektrikums von mindestens 3 gegenüber Luft von 1 zu einer Feldkonzentration des elektrischen Feldes im Dielektrikum 18 und damit zu einer Feldreduktion außerhalb. Ferner kann das Dielektrikum 18 beispielsweise ein Thermoplast oder ein Duroplast oder ein Verguss sein. Dadurch kann insbesondere eine einfache mechanische Fixierung von Bauteilen wie den Kühlblöcken 3, 4 im Innenraum des Gehäuses 5 erreicht werden.
Figur 10 (FIG 10) zeigt das mit dem Gehäusedeckel 5.1 verschlossene Gehäuse 5 der Baugruppe 100. Durch das geschlossene Gehäuse 5 und die Verbindung des Gehäuses 5 mit dem Minuspol wird ein die High-Side-Schalter 1 , die Low-Side- Schalter 2 und den Gleichspannungszwischenkreis 6.1 umgebendes, durch die Potentialdifferenzen erzeugtes elektrisches Feld räumlich im Wesentlichen auf das
Innere des Gehäuses 5 begrenzt und von dem elektrischen Feld verursachte elektrische Ströme werden auf kurzen Wegen wieder ihren Quellen zugeführt.
Die Figuren 11 bis 13 zeigen schematisch verschiedene Ausführungsbeispiele des Kühlsystems einer erfindungsgemäßen Baugruppe 100. Dargestellt sind Kühlkanäle 19, die jeweils in einem High-Side-Kühlblock 3 verlaufen, Kühlkanäle 20, die in dem Low-Side-Kühlblock 4 verlaufen, und Kühlmittelleitungen 9, die Kühlkanäle 19, 20 verbinden. Die Pfeile zeigen die Strömung des Kühlmittels in dem Kühlsystem.
Figur 11 (FIG 11 ) zeigt ein Ausführungsbeispiel des Kühlsystems, bei dem die Kühlkanäle 19, 20 durch die Kühlmittelleitungen 9 seriell miteinander verbunden sind, so dass der Kühlmittelstrom ohne Verzweigungen durch die Kühlkanäle 19, 20 geleitet wird. Dieses Ausführungsbeispiel des Kühlsystems ist beispielsweise bei der in den Figuren 1 bis 10 dargestellten Baugruppe 100 realisiert.
Figur 12 (FIG 12) zeigt ein Ausführungsbeispiel des Kühlsystems, bei dem die Kühlkanäle 19, 20 durch die Kühlmittelleitungen 9 teilparallel miteinander verbunden sind. Hierbei wird der Kühlmittelstrom durch zwei Verzweigungen auf die Kühlkanäle 19 der High-Side-Kühlblöcke 3 aufgeteilt.
Figur 13 (FIG 13) zeigt ein Ausführungsbeispiel des Kühlsystems, bei dem die Kühlkanäle 19, 20 durch die Kühlmittelleitungen 9 parallel miteinander verbunden sind. Hierbei wird der Kühlmittelstrom durch eine Verzweigung auf die Kühlkanäle 19 der High-Side-Kühlblöcke 3 aufgeteilt.
Bezugszeichenliste
1 High-Side-Schalter
2 Low-Side-Schalter
3 High-Side-Kühlblock
4 Low-Side-Kühlblock
5 Gehäuse
5.1 Gehäusedeckel
6 Zwischenkreisgehäuse
6.1 Gleichspannungszwischenkreis
7, 8 Kühlmittelanschluss
9 Kühlmittelleitung
10 Grundkörper
10.1 Verbindungsmetallschicht
11 Hochpotentialschiene
12 Niederpotentialschiene
13 Leiterplatte
13.1 bis 13.5 Lage
13.1a bis 13.1c, 13.1e bis 13.1g Kontaktelement
13.2a, 13.2b Kompensationsleitungsabschnitt
13.3a, 13.3b Steueranschluss
13.3c, 13.3d Kontakt
13.3e, 13.4e Spannungsversorgungsfläche
13.3f bis 13.3h, 13.4f bis 13.4h Ausnehmung
14 Halbbrückenkondensator
15 Verbindungsleitung
16 Halbbrückenabgriff
17 Kompensationsleitung
18 Dielektrikum
19, 20 Kühlkanal
100 elektronische Baugruppe
101 Halbbrücke d, e Abstand
Claims
1. Elektronische Baugruppe (100), umfassend
- einen elektrischen Gleichspannungszwischenkreis (6.1 ) mit einem Pluspol und einem Minuspol,
- wenigstens eine Halbbrücke (101 ) mit einem mit dem Pluspol verbundenen elektronischen High-Side-Schalter (1 ) und einem mit dem Minuspol verbundenen elektronischen Low-Side-Schalter (2),
- für jeden High-Side-Schalter (1 ) einen metallischen High-Side-Kühlblock (3), auf dem der High-Side-Schalter (1 ) angeordnet ist,
- wenigstens einen metallischen Low-Side-Kühlblock (4), auf dem wenigstens ein Low-Side-Schalter (2) angeordnet ist,
- ein metallisches geschlossenes Gehäuse (5), in dem der Gleichspannungszwischenkreis (6.1 ), jede Halbbrücke (101) und jeder Kühlblock (3, 4) angeordnet sind und das Kühlmittelanschlüsse (7, 8) zur Zuführung und Abführung eines Kühlmittels aufweist, wobei
- die Kühlblöcke (3, 4) jeweils wenigstens einen Kühlkanal (19, 20) aufweisen und die Kühlkanäle (19, 20) miteinander und mit den Kühlmittelanschlüssen (7, 8) verbunden sind, so dass ein Kühlmittel zwischen den Kühlmittelanschlüssen (7, 8) durch die Kühlkanäle (19, 20) leitbar ist,
- der High-Side-Schalter (1 ) und der Low-Side-Schalter (2) jeder Halbbrücke (101 ) durch eine Verbindungsleitung (15), die einen Halbbrückenabgriff (16) der Halbbrücke (101 ) aufweist, und eine parallel zu der Verbindungsleitung (15), dem High-Side-Schalter (1 ) und dem Low-Side-Schalter (2) verlaufende Kompensationsleitung (17), in der ein Halbbrückenkondensator (14) angeordnet ist, elektrisch verbunden sind,
- die High-Side-Kühlblöcke (3) voneinander, von dem Pluspol und von jedem Low- Side-Kühlblock (4) elektrisch isoliert sind, und
-jeder Low-Side-Kühlblock (4) von den Verbindungsleitungen (15) isoliert und mit dem Minuspol und mit dem Gehäuse (5) elektrisch leitend verbunden ist.
2. Elektronische Baugruppe (100) nach Anspruch 1 , die genau einen Low-Side- Kühlblock (4) aufweist, auf dem alle Low-Side-Schalter (2) angeordnet sind.
3. Elektronische Baugruppe (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Gleichspannungszwischenkreis (6.1 ) eine Kondensatoreinheit mit einer Kapazität aufweist, die um einen Faktor im Bereich von 10 bis 50 größer als die Kapazität jedes Halbbrückenkondensators (14) ist.
4. Elektronische Baugruppe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindungsleitung (15) und die Kompensationsleitung (17) jeder Halbbrücke (101 ) in einem Abstand von höchstens 3 mm voneinander verlaufen.
5. Elektronische Baugruppe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder High-Side-Kühlblock (3) von jedem Low-Side-Kühlblock (4) in einem Abstand (d) von höchstens 10 mm angeordnet ist.
6. Elektronische Baugruppe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindungsleitung (15) und die Kompensationsleitung (17) jeder Halbbrücke (101 ) dieselbe Breite oder dieselbe Breite und dieselbe Dicke aufweisen.
7. Elektronische Baugruppe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer mehrlagigen Leiterplatte (13), die eine erste Lage (13.1 ) mit Kontaktelementen (13.1a bis 13.1c, 13.1e bis 13.1g) der
Verbindungsleitungen (15), der High-Side-Schalter (1) und der Low-Side- Schalter (2) der Halbbrücken (101 ) und eine zweite Lage (13.2), in der Kompensationsleitungsabschnitte (13.2a, 13.2b) der Kompensationsleitungen (17) verlaufen, aufweist.
8. Elektronische Baugruppe (100) nach Anspruch 7, wobei die Leiterplatte (13) eine dritte Lage (13.3) mit einer mit dem Pluspol verbundenen, elektrisch leitfähigen ersten Spannungsversorgungsfläche (13.3e) und eine vierte
Lage (13.4) mit einer mit dem Minuspol verbundenen, elektrisch leitfähigen zweiten Spannungsversorgungsfläche (13.4e) aufweist.
9. Elektronische Baugruppe (100) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Leiterplatte (13) eine fünfte Lage (13.5) aufweist, auf oder in der alle Halbbrückenkondensatoren (14) angeordnet sind.
10. Elektronische Baugruppe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (5) wenigstens teilweise mit einem Dielektrikum (18) befüllt ist.
11. Elektronische Baugruppe (100) nach Anspruch 10, wobei das Dielektrikum (18) eine relative Perm ittivität von wenigstens 3 aufweist.
12. Elektronische Baugruppe (100) nach Anspruch 10 oder 11 , wobei das Dielektrikum (18) ein Thermoplast oder ein Duroplast oder Vergussmaterial ist.
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