WO2023151751A1 - Invertervorrichtung mit einer laminierten sammelschiene oder einer hochstromleiterplatte - Google Patents

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WO2023151751A1
WO2023151751A1 PCT/DE2023/100078 DE2023100078W WO2023151751A1 WO 2023151751 A1 WO2023151751 A1 WO 2023151751A1 DE 2023100078 W DE2023100078 W DE 2023100078W WO 2023151751 A1 WO2023151751 A1 WO 2023151751A1
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WO
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inverter device
conductor structure
current
input unit
circuit board
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PCT/DE2023/100078
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French (fr)
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Bao Ngoc AN
Jens KROITZSCH
Andreas HUMBERT
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • H05K7/14—Mounting supporting structure in casing or on frame or rack
    • H05K7/1422—Printed circuit boards receptacles, e.g. stacked structures, electronic circuit modules or box like frames
    • H05K7/1427—Housings
    • H05K7/1432—Housings specially adapted for power drive units or power converters
    • H05K7/14329—Housings specially adapted for power drive units or power converters specially adapted for the configuration of power bus bars
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
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    • H05K2201/10272—Busbars, i.e. thick metal bars mounted on the PCB as high-current conductors

Definitions

  • Inverter device with a laminated bus bar or a high current circuit board
  • the invention relates to a (largely integrated) inverter device for an electric drive machine, i.e. for controlling and supplying an electric drive machine in a motor vehicle.
  • the motor vehicle is preferably implemented as a purely electrically or hybrid motor vehicle.
  • a basic requirement for generic inverter devices is to achieve the lowest possible electrical resistance, which is increased in particular by existing connection points/contact points between separately formed conductors. At the same time, the inverter device should continue to be manufacturable and mountable in as few steps as possible.
  • an inverter device for an electric drive motor of a motor vehicle which inverter device has a DC input unit having a first conductor structure, an AC output unit having a second conductor structure and an AC output unit inserted between the DC input unit and the AC output unit, to the two Has conductor structures electrically connected power semiconductor device.
  • the two conductor structures are also formed as separately formed (particularly spaced apart) laminated busbars or as separately formed (particularly spaced apart) current conductors of a high-current printed circuit board.
  • a laminated busbar is to be understood as meaning a conductor structure that has a number of plies/layers that are insulated from one another and that each form a pole that is separate from one another and are joined together to form a composite.
  • An inverter device is thus made available which can be manufactured efficiently and assembled in as few work steps as possible. In addition, the electrical resistances are significantly reduced.
  • first conductor structure and/or the second conductor structure bear against a (preferably actively or passively cooled) housing by means of a thermal layer. This leads to skilful dissipation of excess heat during operation of the inverter device, so that the efficiency is further increased.
  • the thermal layer is formed by a thermally conductive (but preferably electrically insulating) film or a thermally conductive (but preferably electrically insulating) potting compound. This makes the thermal layer easy to attach.
  • the DC input unit has a (first) current sensor that is integrated into the first conductor structure.
  • the first current sensor is preferably applied, for example glued, directly to a surface of the first conductor structure (usually made of a copper material).
  • a (first) sensor housing accommodating the first current sensor is also in contact with the housing of the inverter device and is therefore thermally coupled, for example with the interposition of a thermal layer.
  • the AC output unit has a (second) current sensor which is integrated into the second conductor structure.
  • the second current sensor is preferably applied directly to a surface of the second conductor structure (usually made of a copper material), for example applied sticks.
  • a (second) sensor housing accommodating the second current sensor is also in contact with the housing of the inverter device and is therefore thermally coupled, for example with the interposition of a thermal layer.
  • the DC input unit has an EMC filter device.
  • That EMC filter device is typically equipped with a magnetic core running around the first conductor structure and/or with a capacitor. This further increases the efficiency of the inverter device.
  • the DC input unit has a capacitor arrangement, with capacitors of the capacitor arrangement more preferably being electrically connected directly to the first conductor structure, the first conductor structure is coupled directly to the capacitor arrangement, as a result of which the efficiency is further increased.
  • the AC output unit has an output filter device.
  • the output filter means typically comprises a magnetic core running around the second conductor structure and/or a capacitor. This also increases the efficiency of the inverter device.
  • a highly integrated inverter is formed on the basis of a laminated busbar (busbar/current busbar) or a high-current printed circuit board.
  • the inverter is divided into a DC section (DC input unit), a power module (power semiconductor module/power semiconductor device) and an AC section (AC output unit).
  • the individual components in the DC and AC sections are combined into a larger component with multiple functions. These components can based on the laminated busbar or the high-current printed circuit board.
  • the laminated busbar or high current circuit board is thermally bonded to the surface of the inverter case (housing) using a thermally conductive insulating film/tape or a thermally conductive potting compound.
  • Current sensors are also integrated in the laminated busbar or the high-current circuit board.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal sectional representation of an inverter device according to the invention according to a first exemplary embodiment, the individual components of the inverter device being clearly visible,
  • FIG. 2 shows a schematic longitudinal sectional illustration of an inverter device according to the invention according to a second exemplary embodiment, with a power semiconductor device now being equipped with a circuit board with high-current contacts, and
  • FIG 3 shows a schematic longitudinal sectional illustration of an inverter device according to the invention according to a third exemplary embodiment, the components of the inverter device now being mounted as a whole on a high-current printed circuit board.
  • the inverter device 1 clearly shows an inverter device 1 according to the invention in a first exemplary embodiment.
  • the inverter device 1 is designed as a module leads, which is more preferably part of a power electronics of an electric drive motor of a motor vehicle, not shown here for the sake of clarity.
  • the inverter device 1 consequently serves to control/supply the electric drive machine during operation.
  • the inverter device 1 has a DC input unit 3 and an AC output unit 5 and a power semiconductor module arranged between the DC input unit 3 and the AC output unit 5 as a power semiconductor device 6 .
  • the power semiconductor device 6 typically serves to convert an alternating current supplied via the DC input unit 3 into a direct current transmitted through the AC output unit 5 and vice versa.
  • the DC input unit 3 has a first conductor structure 2 that runs continuously.
  • the first conductor structure 2 has, in the usual way, a plurality of poles which are formed by layers 18 which are electrically separated/insulated from one another.
  • the first conductor structure 2 is implemented as a laminated (first) busbar 7a in this first exemplary embodiment.
  • the layers 18 are thus arranged one on top of the other in the manner of a sandwich and joined/connected to one another in a materially bonded manner, for example by means of an adhesive.
  • the DC input unit 3 also has an EMC filter device 13 .
  • the EMC filter device 13 has a (first) magnetic core 19 which extends around the layers 18 of the first conductor structure 2/the first conductor structure 2.
  • the first core 19 is accommodated/integrated at least partially in a central housing 22 (inverter housing) of the inverter device 1 .
  • the EMC filter device 13 also has a (first) capacitor 20 which is arranged on the first conductor structure 2 .
  • the DC input unit 3 also has a (first) current sensor 11 which is also attached to the first conductor structure 2 .
  • the first current sensor 11 that can be seen in FIG. 1 is attached, preferably glued, directly to a copper surface of a layer 18 of the first conductor structure 2, for example.
  • a the first (First) sensor housing 21 enclosing current sensor 11 is also accommodated/partially integrated and thermally connected to central housing 22 of inverter device 1 .
  • the DC input unit 3 also has a capacitor arrangement 14 which is connected to the first conductor structure 2 and forms a so-called DC link.
  • the first conductor structure 2 is connected to the power semiconductor device 6 on a side of the capacitor arrangement 14 which is remote from the EMC filter device 13 and the first current sensor 11 .
  • the layers 18 / poles of the first conductor structure 2 are electrically connected to contacts of the power semiconductor device 6 .
  • the power semiconductor device 6 On the output side, the power semiconductor device 6 is in turn connected to the AC output unit 5 , namely to a second conductor structure 4 which is assigned to the AC output unit 5 .
  • FIG. 1 shows in particular a layer 18 with insulation applied thereto.
  • the AC output unit 5 has a second current sensor 12 which is applied (preferably glued) to a copper surface of the second conductor structure 4 .
  • Another (second) sensor housing 23 encloses the second current sensor 12. This second sensor housing 23 is also accommodated/partially integrated and thermally connected to the housing 22 of the inverter device 1.
  • an output filter device 15 which has a (second) magnetic core 24 and a (second) capacitor 25 .
  • both the first conductor structure 2 and the second conductor structure 4 are each thermally connected to the housing 22 by means of thermal layers 10 .
  • the respective layer 10 is, for example, as an insulating tape or as Casting compound, which is designed to be thermally conductive, is formed. The respective layer 10 thus contacts the first conductor structure 2 or the second conductor structure 4 over a large area and thermally couples them to the housing 22.
  • the power semiconductor device 6 has a cooling plate 26 through which a cooling medium conducted through the housing 22 flows/flows directly during operation.
  • At least one additional cooling channel 27 is formed in the housing 22 for passive cooling of the conductor structures 2, 4 and preferably runs at least partially parallel to the conductor structures 2, 4.
  • FIG. 2 shows an inverter device 1 according to a second exemplary embodiment, the essential structure of which corresponds to that of the first exemplary embodiment.
  • the inverter device 1 of the second exemplary embodiment is implemented differently from the first exemplary embodiment.
  • the power semiconductor device 6 now has a circuit board 28 in which electronic components 29, such as semiconductors, are integrated. High-current contacts 16, 17 are also formed on the power semiconductor device 6, which in turn are each connected to the first or second conductor structure 2, 4.
  • FIG. 3 it can also be seen that instead of the separate conductor structures 2, 4 in the form of separate busbars 7a, 7b, these are alternatively designed as current conductors 8a, 8b, which are integrated in a high-current circuit board 9 could be.
  • a first conductor 8a forming the first conductor structure 2 is then preferably in turn configured so massively that it can alternatively be referred to as a conductor rail.
  • a second current conductor 8b forming the second conductor structure 4 is also preferably designed to be so solid that it can alternatively be referred to as a current rail.
  • the capacitor arrangement 14 and the components 29 of the power semiconductor device 6 are arranged directly on the high-current printed circuit board 9 .
  • an inverter is constructed from three units or assemblies, having a first unit comprising an EMC filter (EMC filter device 13) and a DC link capacitor (capacitor arrangement 14) as a unit on the DC Page; a second unit including power modules (power semiconductor device 6); and a third unit comprising a busbar with current sensor 12 and output filter (output filter device 15) on the AC side.
  • EMC filter device 13 EMC filter device 13
  • DC link capacitor capacitor arrangement 14
  • a conductor structure 2, 4 is based on a laminated busbar (busbar 7a, 7b) or on the basis of a high-current circuit board 9.
  • the structure of the intermediate circuit capacitor (capacitor arrangement 14) consists of discrete components/capacitors.
  • the DC current sensor (first current sensor 11 ) is integrated into the laminated busbar. This means that the busbar of the DC current sensor is part of the laminated busbar.
  • Current sensor electronics (first current sensor 11 and/or second current sensor 12) are applied to a copper layer of the laminated busbar (e.g. by an adhesive bond).
  • the current sensor housing (first sensor housing 21 and/or second sensor housing 23) is also integrated into the inverter housing base (housing 22).
  • the magnetic cores 19, 24 are also integrated into the bottom of the inverter housing.
  • the AC current sensors (second current sensor 12) are integrated into the laminated busbar on the AC side.
  • a thermal connection to the inverter housing or cooling channels takes place via thermal interface materials (e.g. “gap pad”) or by a potting material (partial potting), which is generally referred to as layer 10 in the present case.
  • FIG. 2 there is a further embodiment variant with “chip embedding” technology.
  • the power switches/semiconductors of the power semiconductor device 6 are integrated in a circuit board 28 (PCB).
  • PCB circuit board 28
  • EMC filter and DC link capacitor as a unit on the DC side are connected to the power semiconductor module (power semiconductor device 6) via (first) high-current contacts 16.
  • AC current sensors are integrated in the laminated busbar and also connected to the power semiconductor module via (second) high-current contacts 17 .
  • a high-current printed circuit board 9 with “chip embedding” technology.
  • the high-current printed circuit board 9 is designed with integrated busbars (busbar; current conductors 8a, 8b) and integrated power semiconductors (components 29).
  • An integration of a gate driver logic (gate driver IC) on the high-current printed circuit board 9 is optional.
  • the magnetic cores 19, 24 for the EMC filter or the output filter are printed circuit board 9 out through the high current.
  • Inverter device first conductor structure DC input unit second conductor structure AC output unit
  • Power semiconductor device a first busbar b second busbar a first current conductor b second current conductor high-current circuit board 0 layer 1 first current sensor 2 second current sensor 3
  • EMC filter device 4 capacitor arrangement 5 output filter device 6 first high-current contact 7 second high-current contact 8 layer 9 first core 0 first capacitor 1 first sensor housing 2 housing 3 second sensor housing 4 second core 5 second capacitor 6 cooling plate 7 cooling channel 8 circuit board 9 electronic component 0 gate driver IC 31 seal

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Invertervorrichtung (1) für eine elektrische Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeuges, mit einer eine erste Leiterstruktur (2) aufweisenden DC-Eingangseinheit (3), einer eine zweite Leiterstruktur (4) aufweisenden AC-Ausgangseinheit (5) und einer zwischen der DC-Eingangseinheit (3) und der AC-Ausgangseinheit (5) eingesetzten, an die beiden Leiterstrukturen (2, 4) elektrisch angeschlossenen Leistungshalbleitereinrichtung (6), wobei die beiden Leiterstrukturen (2, 4) als voneinander getrennte laminierte Sammelschienen (7a, 7b) oder voneinander getrennte Stromleiter (8a, 8b) einer Hochstromleiterplatte (9) ausgebildet sind.

Description

Invertervorrichtunq mit einer laminierten Sammelschiene oder einer Hochstromleiterplatte
Die Erfindung betrifft eine (hochintegrierte) Invertervorrichtung für eine elektrische Antriebsmaschine, d.h. zur Ansteuerung und Versorgung einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeuges. Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise als ein rein elektrisch oder hybridisch angetriebenes Kraftfahrzeug umgesetzt.
Eine prinzipielle Anforderung besteht bei gattungsgemäßen Invertervorrichtungen darin, einen möglichst geringen elektrischen Widerstand zu erreichen, welcher insbesondere durch vorhandene Verbindungsstellen / Kontaktstellen zwischen separat ausgebildeten Leitern erhöht wird. Zugleich soll die Invertervorrichtung weiterhin in möglichst wenigen Schritten herstellbar und montierbar sein.
Es ist damit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Invertervorrichtung zur Verfügung zu stellen, die einen einfachen Aufbau aufweist und zugleich einen möglichst großen Wirkungsgrad aufweist.
Dies wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Demnach ist eine Invertervorrichtung für eine elektrische Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeuges beansprucht, welche Invertervorrichtung eine eine erste Leiterstruktur aufweisende DC-Eingangseinheit, eine eine zweite Leiterstruktur aufweisende AC-Aus- gangseinheit und eine zwischen der DC-Eingangseinheit und der AC-Ausgangseinheit eingesetzte, an die beiden Leiterstrukturen elektrisch angeschlossene Leistungshalbleitereinrichtung aufweist. Die beiden Leiterstrukturen sind ferner als separat ausgeformte (insbesondere beabstandet zueinander angeordnete), laminierte Sammelschiene ausgebildet oder als separat ausgeformte (insbesondere beabstandet zueinander angeordnete) Stromleiter einer Hochstrom leiterplatte ausgebildet. Unter einer laminierten Sammelschiene ist eine Leiterstruktur zu verstehen, die mehrere voneinander isolierte Lagen / Schichten aufweist, die jeweils einen voneinander separaten Pol bilden und miteinander zu einem Verbund gefügt sind. Damit wird eine Invertervorrichtung zur Verfügung gestellt, die effizient herstellbar ist und in möglichst wenigen Arbeitsschritten montierbar ist. Zudem werden die elektrischen Widerstände deutlich reduziert.
Weitergehende vorteilhafte Ausführungsformen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
Demnach ist es auch von Vorteil, wenn die erste Leiterstruktur und/oder die zweite Leiterstruktur mittels einer thermischen Schicht an einem (vorzugsweise aktiv oder passiv gekühlten) Gehäuse anliegen. Dadurch kommt es zu einer geschickten Abfuhr überschüssiger Wärme im Betrieb der Invertervorrichtung, sodass der Wirkungsgrad weiter erhöht wird.
Dabei hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, wenn die thermische Schicht durch eine thermisch leitende (vorzugsweise jedoch elektrisch isolierende) Folie oder eine thermisch leitende (vorzugsweise jedoch elektrisch isolierende) Vergussmasse gebildet ist. Dadurch ist die thermische Schicht einfach anbringbar.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die DC-Eingangseinheit einen (ersten) Stromsensor aufweist, der in die erste Leiterstruktur integriert ist. Der erste Stromsensor ist vorzugsweise unmittelbar auf einer Oberfläche der (üblicherweise aus einem Kupfermaterial bestehenden) ersten Leiterstruktur aufgebracht, etwa aufgeklebt. Weiter bevorzugt ist ein den ersten Stromsensor einhausendes (erstes) Sensorgehäuse ebenfalls mit dem Gehäuse der Invertervorrichtung in Anlage und somit, etwa unter Zwischenschaltung einer thermischen Schicht, thermisch gekoppelt.
Somit ist es ebenfalls zweckmäßig, wenn die AC-Ausgangseinheit einen (zweiten) Stromsensor aufweist, der in die zweite Leiterstruktur integriert ist. Der zweite Stromsensor ist vorzugsweise unmittelbar auf einer Oberfläche der (üblicherweise aus einem Kupfermaterial bestehenden) zweiten Leiterstruktur aufgebracht, etwa aufge- klebt. Weiter bevorzugt ist ein den zweiten Stromsensor einhausendes (zweites) Sensorgehäuse ebenfalls mit dem Gehäuse der Invertervorrichtung in Anlage und somit, etwa unter Zwischenschaltung einer thermischen Schicht, thermisch gekoppelt.
Von Vorteil ist es zudem, wenn die DC-Eingangseinheit eine EMV-Filtereinrichtung aufweist. Jene EMV-Filtereinrichtung ist auf typische Weise mit einem magnetischen Kem, der um die erste Leiterstruktur herum verläuft, und/oder mit einem Kondensator ausgestattet. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Invertervorrichtung weiter gesteigert.
Weist die DC-Eingangseinheit eine Kondensatorenanordnung auf, wobei Kondensatoren der Kondensatorenanordnung weiter bevorzugt mit der ersten Leiterstruktur direkt elektrisch verbunden sind, ist die erste Leiterstruktur direkt mit der Kondensatorenanordnung gekoppelt, wodurch der Wirkungsgrad weiter gesteigert wird.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die AC-Ausgangseinheit eine Ausgangsfiltereinrichtung aufweist. Die Ausgangsfiltereinrichtung weist auf typische Weise einen magnetischen Kem, der um die zweite Leiterstruktur herum verläuft, und/oder einen Kondensator auf. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Invertervorrichtung ebenfalls gesteigert.
Für einen effizienten Betrieb ist es auch von Vorteil, wenn ein erster Hochstromkontakt der Leistungshalbleitereinrichtung mit der DC-Eingangseinheit und/oder ein zweiter Hochstromkontakt der Leistungshalbleitereinrichtung mit der AC-Ausgangseinheit verbunden ist.
Mit anderen Worten ausgedrückt ist somit erfindungsgemäß ein hochintegrierter Inverter (Invertervorrichtung) auf Basis eines laminierten Busbar (Sammelschiene / Stromsammelschiene) oder einer Hochstrom leiterplatte ausgebildet. Der Inverter wird aufgeteilt in einen DC-Bereich (DC-Eingangseinheit), in ein Leistungsmodul (Leistungshalbleitermodul / Leistungshalbleitereinrichtung) und einen AC-Bereich (AC-Ausgangseinheit). Die einzelnen Komponenten in den DC- und AC-Bereichen sind zu einer größeren Komponente mit mehreren Funktionen kombiniert. Diese Komponenten können auf Grundlage des laminierten Busbar oder der Hochstrom leiterplatte ausgeführt sein. Der laminierte Busbar oder die Hochstrom leiterplatte ist thermisch an die Oberfläche des Invertergehäuses (Gehäuse), unter Verwendung eines thermischen leitfähigen Isolierfilms / Isolierbandes oder einer thermisch leitfähigen Vergussmasse, angebunden. Stromsensoren sind ebenfalls in dem laminierten Busbar oder der Hochstromleiterplatte integriert.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert, in welchem Zusammenhang auch verschiedene Ausführungsbeispiele veranschaulicht sind.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Inver- tervorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei die einzelnen Komponenten der Invertervorrichtung gut zu erkennen sind,
Fig. 2 eine schematische Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Invertervorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei eine Leistungshalbleitereinrichtung nun mit einer Platine mit Hochstromkontakten ausgestattet ist, sowie
Fig. 3 eine schematische Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Invertervorrichtung nach einem dritten Ausführungsbeispiel, wobei die Komponenten der Invertervorrichtung nun gesamtheitlich auf einer Hochstrom leiterplatte angebracht sind.
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
Mit Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Invertervorrichtung 1 eines ersten Ausführungsbeispiels übersichtlich zu erkennen. Die Invertervorrichtung 1 ist als ein Modul ausge- führt, das weiter bevorzugt Bestandteil einer Leistungselektronik einer hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellten elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeuges ist. Die Invertervorrichtung 1 dient folglich dem Ansteuern / Versorgen der elektrischen Antriebsmaschine im Betrieb.
Die Invertervorrichtung 1 weist eine DC-Eingangseinheit 3 sowie eine AC-Ausgangs- einheit 5 und ein zwischen der DC-Eingangseinheit 3 und der AC-Ausgangseinheit 5 angeordnetes Leistungshalbleitermodul als Leistungshalbleitereinrichtung 6 auf. Die Leistungshalbleitereinrichtung 6 dient auf typische Weise zum Wandeln eines über die DC-Eingangseinheit 3 zugeführten Wechselstroms in einen durch die AC-Ausgangseinheit 5 übertragenen Gleichstrom bzw. umgekehrt.
Hinsichtlich des Aufbaus der DC-Eingangseinheit 3 ist zu erkennen, dass diese eine durchgängig verlaufende erste Leiterstruktur 2 aufweist. Die erste Leiterstruktur 2 weist auf übliche Weise mehrere Pole auf, die durch voreinander elektrisch getrennte / isolierte Lagen 18 gebildet sind. Insbesondere ist die erste Leiterstruktur 2 in diesem ersten Ausführungsbeispiel als eine laminierte (erste) Sammelschiene 7a realisiert. Die Lagen 18 sind damit sandwichartig übereinander angeordnet und etwa stoffschlüssig, bspw. mittels Kleber, miteinander gefügt / verbunden.
Die DC-Eingangseinheit 3 weist ferner eine EMV-Filtereinrichtung 13 auf. Die EMV- Filtereinrichtung 13 weist einen (ersten) magnetischen Kem 19 auf, der sich um die Lagen 18 der ersten Leiterstruktur 2 / die erste Leiterstruktur 2 herum erstreckt. Der erste Kem 19 ist zumindest teilweise in einem zentralen Gehäuse 22 (Invertergehäuse) der Invertervorrichtung 1 aufgenommen / integriert. Auch weist die EMV-Filter- einrichtung 13 einen (ersten) Kondensator 20 auf, der auf der ersten Leiterstruktur 2 angeordnet ist.
Die DC-Eingangseinheit 3 weist auch einen (ersten) Stromsensor 11 auf, der ebenfalls auf der ersten Leiterstruktur 2 angebracht ist. Der in Fig. 1 zu erkennende erste Stromsensor 11 ist beispielsweise unmittelbar auf einer Kupferoberfläche einer Lage 18 der ersten Leiterstruktur 2 angebracht, bevorzugt aufgeklebt. Ein den ersten Stromsensor 11 umhausendes (erstes) Sensorgehäuse 21 ist zudem an dem zentralen Gehäuse 22 der Invertervorrichtung 1 aufgenommen / teilweise integriert und thermisch angebunden.
Die DC-Eingangseinheit 3 weist außerdem eine mit der ersten Leiterstruktur 2 verbundene Kondensatorenanordnung 14, die einen so genannten DC-Link ausbildet, auf. Zu einer der EMV-Filtereinrichtung 13 und dem ersten Stromsensor 11 abgewandten Seite der Kondensatorenanordnung 14 ist die erste Leiterstruktur 2 an die Leistungshalbleitereinrichtung 6 angebunden. Dabei sind die Lagen 18 / Pole der ersten Leiterstruktur 2 elektrisch mit Kontakten der Leistungshalbleitereinrichtung 6 verbunden.
Ausgangsseitig ist die Leistungshalbleitereinrichtung 6 wiederum mit der AC-Aus- gangseinheit 5, nämlich einer zweiten Leiterstruktur 4, die der AC-Ausgangseinheit 5 zugeordnet ist, verbunden.
Hinsichtlich der zweiten Leiterstruktur 4 ist ersichtlich, dass diese in dieser Ausführung ebenfalls als eine laminierte (zweite) Sammelschiene 7b ausgebildet ist. In Fig. 1 ist diesbezüglich insbesondere eine Lage 18 mit einer darauf angebrachten Isolierung zu erkennen.
Ferner weist die AC-Ausgangseinheit 5 einen zweiten Stromsensor 12 auf, der auf einer Kupferoberfläche der zweiten Leiterstruktur 4 aufgebracht (vorzugsweise aufgeklebt) ist. Ein weiteres (zweites) Sensorgehäuse 23 umhaust den zweiten Stromsensor 12. Auch dieses zweite Sensorgehäuse 23 ist an dem Gehäuse 22 der Invertervorrichtung 1 aufgenommen / teilweise integriert und thermisch angebunden.
Ferner ist eine Ausgangsfiltereinrichtung 15 vorhanden, die einen (zweiten) magnetischen Kern 24 und einen (zweiten) Kondensator 25 aufweist.
Außerdem ist zu erkennen, dass sowohl die erste Leiterstruktur 2 als auch die zweite Leiterstruktur 4 jeweils mittels thermischen Schichten 10 thermisch mit dem Gehäuse 22 verbunden sind. Die jeweilige Schicht 10 ist beispielsweise als Isolierband oder als Vergussmasse, die thermisch leitend ausgeführt ist, ausgebildet. Die jeweilige Schicht 10 kontaktiert somit die erste Leiterstruktur 2 oder die zweite Leiterstruktur 4 großflächig und koppelt diese thermisch mit dem Gehäuse 22.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass die Leistungshalbleitereinrichtung 6 eine Kühlplatte 26 aufweist, die im Betrieb unmittelbar von einem durch das Gehäuse 22 geleitetes Kühlmedium durchströmt / angeströmt wird.
Zumindest ein weiterer Kühlkanal 27 ist zur passiven Kühlung der Leiterstrukturen 2, 4 in dem Gehäuse 22 ausgebildet und verläuft vorzugsweise zumindest teilweise parallel zu den Leiterstrukturen 2, 4.
Mit Fig. 2 ist eine Invertervorrichtung 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt, deren wesentlicher Aufbau sich mit dem des ersten Ausführungsbeispiels deckt. Insbesondere in Bezug auf die Leistungshalbleitereinrichtung 6 ist die Invertervorrichtung 1 des zweiten Ausführungsbeispiels unterschiedlich zu dem ersten Ausführungsbeispiel realisiert. Die Leistungshalbleitereinrichtung 6 weist nun eine Platine 28 auf, in der elektronische Bestandteile 29, wie Halbleiter, integriert sind. Auch sind Hochstromkontakte 16, 17 an der Leistungshalbleitereinrichtung 6 ausgebildet, die wiederum jeweils mit der ersten oder zweiten Leiterstruktur 2, 4 verbunden sind.
In Bezug auf das dritte Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist auch zu erkennen, dass statt der separaten Leiterstrukturen 2, 4 in Form von separaten Sammelschienen 7a, 7b, diese alternativ als Stromleiter 8a, 8b, die in einer Hochstrom leiterplatte 9 integriert sind, ausgebildet sein können. Ein die erste Leiterstruktur 2 bildender erster Stromleiter 8a ist dann bevorzugt wiederum derart massiv ausgebildet, dass er alternativ als Stromschiene bezeichnet werden kann. Auch ein die zweite Leiterstruktur 4 bildender zweiter Stromleiter 8b ist bevorzugt derart massiv ausgebildet, dass er alternativ als Stromschiene bezeichnet werden kann. Ferner sind auch die Kondensatorenanordnung 14 und die Bestandteile 29 der Leistungshalbleitereinrichtung 6 direkt auf der Hochstrom leiterplatte 9 angeordnet. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist erfindungsgemäß ein Inverter aus drei Einheiten bzw. Baugruppen aufgebaut aufweisend eine erste Einheit umfassend einen EMV-Fil- ter (EMV-Filtereinrichtung 13) und einen DC-Link Kondensator (Kondensatorenanordnung 14) als eine Einheit auf der DC-Seite; eine zweite Einheit aufweisend Leistungsmodule (Leistungshalbleitereinrichtung 6); und eine dritte Einheit umfassend ein Busbar mit Stromsensor 12 und Ausgangsfilter (Ausgangsfiltereinrichtung 15) auf der AC- Seite.
Eine Leiterstruktur 2, 4 ist auf Basis einer laminierten Busbar (Sammelschiene 7a, 7b) oder auf Basis einer Hochstrom leiterplatte 9 ausgeführt. Der Aufbau des Zwischenkreiskondensators (Kondensatorenanordnung 14) besteht aus diskreten Bauelementen / Kondensatoren. Zudem erfolgt eine Integration des DC-Stromsensors (erster Stromsensor 11 ) in die laminierte Busbar. Damit ist Busbar des DC-Stromsensors Bestandteil der laminierten Busbar. Stromsensorelektronik (erster Stromsensor 11 und/oder zweiter Stromsensor 12) wird auf eine Kupferschicht der laminierten Busbar aufgebraucht (z.B. durch eine Klebeverbindung). Auch erfolgt eine Integration des Stromsensorgehäuses (erstes Sensorgehäuse 21 und/oder zweites Sensorgehäuse 23) in den Inverter-Gehäuseboden (Gehäuse 22). Auch werden die magnetischen Kerne 19, 24 (als Bestandteil des EMV-Filters bzw. Ausgangsfilters) in den Inverter- Gehäuseboden integriert. Zudem erfolgt eine Integration der AC-Stromsensoren (zweiter Stromsensor 12) in die laminierte Busbar auf der AC-Seite. Eine thermische Anbindung an das Inverter-Gehäuse bzw. Kühlungskanälen erfolgt über thermische Interface-Materialien (z.B. „Gappad“) oder durch ein Vergussmaterial (teilvergießen), die gegenständlich als Schicht 10 allgemein bezeichnet sind.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 erfolgt eine weitere Ausführungsvariante mit „Chip-Embedding“ Technologie. Dabei sind die Leistungsschalter / Halbleiter der Leistungshalbleitereinrichtung 6 in einer Platine 28 (PCB) integriert. EMV-Filter und DC-Link Kondensator als eine Einheit auf der DC-Seite sind über (erste) Hochstromkontakte 16 mit dem Leistungshalbleitermodul (Leistungshalbleitereinrichtung 6) verbunden. AC-Stromsensoren sind in der laminierten Busbar integriert und ebenfalls über (zweite) Hochstromkontakte 17 mit dem Leistungshalbleitermodul verbunden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 erfolgt eine weitere Ausführung als Hochstrom leiterplatte 9 mit „Chip-Embedding“ Technologie. Dabei ist die Hochstromleiterplatte 9 mit integrierten Stromschienen (Busbar; Stromleiter 8a, 8b) und integriertem Leistungshalbleiter (Bestandteile 29) ausgebildet. Eine Integration einer Gatetreiber-Logik (Gatetreiber IC) auf der Hochstrom leiterplatte 9 ist optional. Die magnetischen Kerne 19, 24 für den EMV-Filter oder den Ausgangsfilter werden durch die Hochstrom leiterplatte 9 geführt.
Bezuqszeichenliste
Invertervorrichtung erste Leiterstruktur DC-Eingangseinheit zweite Leiterstruktur AC-Ausgangseinheit Leistungshalbleitereinrichtung a erste Sammelschiene b zweite Sammelschiene a erster Stromleiter b zweiter Stromleiter Hochstrom leiterplatte 0 Schicht 1 erster Stromsensor 2 zweiter Stromsensor 3 EMV-Filtereinrichtung 4 Kondensatorenanordnung 5 Ausgangsfiltereinrichtung 6 erster Hochstromkontakt 7 zweiter Hochstromkontakt 8 Lage 9 erster Kern 0 erster Kondensator 1 erstes Sensorgehäuse 2 Gehäuse 3 zweites Sensorgehäuse 4 zweiter Kern 5 zweiter Kondensator 6 Kühlplatte 7 Kühlkanal 8 Platine 9 elektronischer Bestandteil 0 Gatetreiber-IC 31 Dichtung

Claims

Patentansprüche Invertervorrichtung (1 ) für eine elektrische Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeuges, mit einer eine erste Leiterstruktur (2) aufweisenden DC-Eingangs- einheit (3), einer eine zweite Leiterstruktur (4) aufweisenden AC-Ausgangs- einheit (5) und einer zwischen der DC-Eingangseinheit (3) und der AC-Aus- gangseinheit (5) eingesetzten, an die beiden Leiterstrukturen (2, 4) elektrisch angeschlossenen Leistungshalbleitereinrichtung (6), wobei die beiden Leiterstrukturen (2, 4) als separat ausgeformte, laminierte Sammelschienen (7a, 7b) oder separat ausgeformte Stromleiter (8a, 8b) einer Hochstrom leiterplatte (9) ausgebildet sind. Invertervorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leiterstruktur (2) und/oder die zweite Leiterstruktur (4) mittels einer thermischen Schicht (10) an einem Gehäuse (11 ) anliegen. Invertervorrichtung (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Schicht (10) durch eine thermisch leitende Folie oder eine thermisch leitende Vergussmasse gebildet ist. Invertervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die DC-Eingangseinheit (3) einen Stromsensor (11 ) aufweist, der in die erste Leiterstruktur (2) integriert ist. Invertervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die AC-Ausgangseinheit (5) einen Stromsensor (12) aufweist, der in die zweite Leiterstruktur (4) integriert ist. Invertervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die DC-Eingangseinheit (3) eine EMV-Filtereinrichtung (13) aufweist. Invertervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die DC-Eingangseinheit (3) eine Kondensatorenanordnung
(14) aufweist. Invertervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die AC-Ausgangseinheit (5) eine Ausgangsfiltereinrichtung
(15) aufweist. Invertervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Hochstromkontakt (16) der Leistungshalbleitereinrichtung (6) mit der DC-Eingangseinheit (3) und/oder ein zweiter Hochstromkontakt (17) der Leistungshalbleitereinrichtung (6) mit der AC-Ausgangseinheit (5) verbunden ist.
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