DE102020216137A1

DE102020216137A1 - Halbbrücke für einen elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, Leistungsmodul für einen Inverter und Inverter

Info

Publication number: DE102020216137A1
Application number: DE102020216137.2A
Authority: DE
Inventors: Ake Ewald
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2020-12-17
Filing date: 2020-12-17
Publication date: 2022-06-23

Abstract

Halbbrücke (10) für einen elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, die Halbbrücke (10) umfassend ein Substrat (12), Halbleiterschaltelemente (24), Leistungsanschlüsse (14) und Signalanschlüsse (16), wobei die Signalanschlüsse (16) derart an die Halbleiterschaltelemente (24) elektrisch angebunden sind, dass die Halbleiterschaltelemente (24) über die Signalanschlüsse (16) schaltbar sind und wobei die Leistungsanschlüsse (14) derart an die Halbleiterschaltelemente (24) elektrisch angebunden sind, dass die Halbleiterschaltelemente (24) eine elektrische Leistungsübertragung zwischen den Leistungsanschlüssen (14) zulassen oder unterbrechen, wobei die Halbleiterschaltelemente (24) auf dem Substrat (12) angeordnet sind, wobei das Substrat (12) in einem Gehäuse (22), welches eine isolierende Kühlflüssigkeit (26) enthält, derart aufgenommen ist, dass die Halbleiterschaltelemente (24) von der Kühlflüssigkeit (26) beaufschlagt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul für einen Inverter eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs sowie einen entsprechenden Inverter.
Im Stand der Technik sind reine Elektrofahrzeuge sowie Hybridfahrzeuge bekannt, welche ausschließlich bzw. unterstützend von einer oder mehreren elektrischen Maschinen als Antriebsaggregate angetrieben werden. Um die elektrischen Maschinen solcher Elektrofahrzeuge bzw. Hybridfahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen, umfassen die Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge elektrische Energiespeicher, insbesondere wiederaufladbare elektrische Batterien. Diese Batterien sind dabei als Gleichspannungsquellen ausgebildet, die elektrischen Maschinen benötigen in der Regel jedoch eine Wechselspannung. Daher wird zwischen einer Batterie und einer elektrischen Maschine eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs üblicherweise eine Leistungselektronik mit einem sog. Inverter geschaltet.
Derartige Inverter umfassen üblicherweise Halbleiterschaltelemente, die typischerweise aus Transistoren gebildet sind. Dabei ist es bekannt, die Halbleiterschaltelemente in unterschiedlichen Integrationsgraden bereitzustellen, nämlich entweder als diskrete Einzelschalter mit einem geringen Integrationsgrad, jedoch hoher Skalierbarkeit, als Leistungsmodule mit einem hohen Integrationsgrad, jedoch geringer Skalierbarkeit, sowie als Halbbrücken, die hinsichtlich Integrationsgrad und Skalierbarkeit zwischen Einzelschaltern und Halbbrücken rangieren. Jede Halbbrücke umfasst eine Highside-Schaltposition (nachfolgend: „Highside“) mit einem höheren elektrischen Potential und eine Lowside-Schaltposition (nachfolgend: „Lowside“) mit einem niedrigeren elektrischen Potential. Die Highside und die Lowside können jeweils einen oder mehrere Einzelschalter umfassen, die parallelgeschaltet sind.
Die Halbleiterschaltelemente tragen eine Stromstärke, die mit zunehmender Skalierbarkeit steigt. Die dabei entstehende Wärme kann dazu führen, dass die Halbleiterschaltelemente überhitzt und beeinträchtigt werden. Um dies zu vermeiden ist es essenziell, die Halbleiterschaltelemente im Betrieb abzukühlen. Dies erfolgt bei den bekannten Halbbrücken dadurch, dass ein metallischer Kühlkörper vorgesehen wird, an den das Substrat angebunden wird. Der vom Substrat abgewandte Ende des Kühlkörpers weist eine Kühlstruktur auf, die mehrere Kühlkanäle umfasst. Die Kühlkanäle werden mit einer Kühlflüssigkeit durchströmt. Die Wärme fließt daher von den Halbleiterschaltelementen über das mehrlagige Substrat und den Kühlkörper und schließlich in die Kühlflüssigkeit.
Bei den bekannten Halbbrücken für Inverter ist die Kühlungseffizienz aufgrund der seriell verschalteten thermischen Widerstände relativ hoch. Die Halbleiterschaltelemente werden unzureichend entwärmt und sind einer Überhitzungsgefahr ausgesetzt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Halbbrücke für einen elektrischen Antrieb eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs bereitzustellen, bei der die Überhitzungsgefahr vermindert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren, die Halbbrücke, das Leistungsmodul und den Inverter gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
Die Erfindung betrifft eine Halbbrücke für einen elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs. Die Halbbrücke umfasst ein Substrat, mehrere Halbleiterschaltelemente, Leistungsanschlüsse und Signalanschlüsse.
Auf dem Substrat sind einerseits die Halbleiterschaltelemente angeordnet, insbesondere Transistoren und Dioden, und andererseits vorzugsweise zusätzlich die zugehörigen Leistungsanschlüsse und Signalanschlüsse. Das Substrat ist bevorzugt rechteckig ausgebildet, insbesondere als flaches, scheibenartiges Rechteck, mit je zwei gegenüberliegenden Seitenkanten. Ggf. kann das Substrat auch quadratisch ausgebildet sein.
Die Halbleiterschaltelemente bilden in der Halbbrücke eine Highside und eine Lowside. Die Highside umfasst ein oder mehrere zueinander parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente und ermöglicht den Stromfluss zwischen dem AC-Leistungsanschluss und dem DC-Plus-Leistungsanschluss. Die Lowside umfasst ein oder mehrere zueinander parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente und ermöglichen Stromfluss zwischen dem AC-Leistungsanschluss und dem DC-Minus-Leistungsanschluss . Die Highside und die Lowside sind zueinander reihengeschaltet.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Halbleiterschaltelemente als High Electron Mobility Transistor (HEMT), insbesondere Galliumnitrid (GaN)-HEMTs ausgebildet sind. Diese Arten von Halbleiterschaltelementen sind vergleichsweise gut zum verlustarmen und schnellen Schalten geeignet.
Alternativ können die Halbleiterschaltelemente als Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode und/oder als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren ausgeführt werden. Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode sind dabei im Allgemeinen auch als sog. IGBTs bekannt. Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren sind im Allgemeinen auch als sog. MOSFETs bekannt.
Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass jedem Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode eine Freilaufdiode zugeordnet ist. Die Freilaufdioden schützen den ihnen jeweils zugeordneten Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode vor induktiven Überspannungen, insbesondere beim Schalten der Transistoren.
Die Leistungsanschlüsse sind derart an die Halbleiterschaltelemente elektrisch angebunden, dass die Halbleiterschaltelemente eine elektrische Leistungsübertragung zwischen den Leistungsanschlüssen zulassen oder unterbrechen. Die Leistungsanschlüsse sind ihrerseits mit in den Halbleiterschaltelementen integrierten Leistungskontakten, bspw. Source-Elektroden und Drain-Elektroden, oder mit einer Erdmasse elektrisch verbunden, so dass elektrische Leistung von einem Leistungsanschluss durch ein Halbleiterschaltelement zu einem weiteren Leistungsanschluss übertragen werden kann. Über die Leistungsanschlüsse wird dabei die elektrische Versorgung des Elektromotors zum Antrieb des Elektrofahrzeugs oder des Hybridfahrzeugs gewährleistet.
Die Signalanschlüsse sind derart an die Halbleiterschaltelemente elektrisch angebunden, dass die Halbleiterschaltelemente über die Signalanschlüsse schaltbar sind. Die Signalanschlüsse dienen zum elektrischen Schalten der Halbleiterschaltelemente und sind entsprechend mit in den Halbleiterschaltelementen integrierten Signalkontakten der Halbleiterschaltelemente elektrisch verbunden. Je nach Ausbildung der Halbleiterschaltelemente kann dann durch eine Bestromung oder eine Spannungsbeaufschlagung des Signalkontakts das Halbleiterschaltelement stromleitend bzw. stromsperrend geschaltet werden. Vorzugsweise werden auf diese Weise die Halbleiterschaltelemente gemäß einer Pulsbreitenmodulation (Engl.: Pulse-Width-Modulation, PWM) geschaltet, um einen sinusförmigen zeitlichen Verlauf der Phasenströme zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß sind die Halbleiterschaltelemente auf dem Substrat angeordnet, wobei das Substrat in einem Gehäuse, welches ein isolierendes Kühlmittel bzw. eine isolierende Kühlflüssigkeit enthält, derart aufgenommen ist, dass die Halbleiterschaltelemente von der Kühlflüssigkeit beaufschlagt sind. Auf diese Weise wird der thermische Widerstand zwischen den Halbleiterschaltelementen und der Kühlflüssigkeit wesentlich minimiert und damit einhergehend der Wärmepfad optimiert. Außerdem kann die isolierende Kühlflüssigkeit derart gewählt sein, dass der Siedepunkt der isolierenden Kühlflüssigkeit im Betrieb der Halbbrücke bzw. des Inverters erreicht wird. Mittels des Siedeprozesses kann das inzwischen gasförmige Kühlmittel an die Gehäuseinnenwände gelangen und zum Wärmetransport nach außen beitragen.
Außerdem kann auf eine mehrlagige Substratstruktur wie Direct Bonded Copper (DBC) verzichtet werden, wodurch auch ein komplexer Anbindungsprozess wie das Löten oder Sintern zwischen dem DBC und der Kühlplatte des Kühlkörpers entfällt. Da die Kühlflüssigkeit selbst elektrisch isolierend ist, kann auf ein Umspritzen der Halbleiterschaltelemente mit einer isolierenden Vergussmasse ebenfalls verzichtet werden.
Der Herstellungsaufwand des Inverters ist daher bei gleichzeitig verbesserter thermischer Kopplung zwischen den Halbleiterschaltelementen und der Kühlflüssigkeit stark reduziert. Dies wirkt sich sowohl kostenseitig als auch funktionsseitig positiv auf den Inverter aus.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigt:

1 beispielhaft und schematisch eine Halbbrücke für einen elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform in einer Seitenansicht.

1 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer Halbbrücke 10 für einen Inverter, der in einem elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs eingesetzt wird. Die Halbbrücke 10 umfasst ein Substrat 12, mehrere Halbleiterschaltelemente 24, Leistungsanschlüsse 14 und Signalanschlüsse 16.
Auf dem Substrat 12 sind einerseits die Halbleiterschaltelemente 24 angeordnet, insbesondere Transistoren und Dioden, und andererseits vorzugsweise zusätzlich die zugehörigen Leistungsanschlüsse 14 und Signalanschlüsse 16. Das Substrat 12 ist bevorzugt rechteckig ausgebildet, insbesondere als flaches, scheibenartiges Rechteck, mit je zwei gegenüberliegenden Seitenkanten. Ggf. kann das Substrat 12 auch quadratisch ausgebildet sein. Wie in 1 ersichtlich, erstreckt sich das Substrat 12 zwischen zwei Schutzwandelementen 122, wobei zwei weitere Schutzwandelemente 122 auf dem Substrat 12 angeordnet sind. Die Schutzwandelemente 122 bilden hier beispielhaft drei Fächer, wobei in jedem Fach ein Halbleiterschaltelement 24 mit den zugehörigen Leistungs- und Signalanschlüssen 14, 16 angeordnet sind. Das Substrat 12 ist auf einer unteren Gehäusewand 224 platziert.
Wie in 1 gezeigt ist ein Wärmetauscher 28 vorzugsweise vorgesehen, der auf einer Außenseite einer oberen Gehäusewand 222 angebracht ist und somit mit dem Gehäuse 22 in thermischer Kopplung steht. Ferner ist eine Kühlstruktur 282 umfassend mehrere Finnen auf einer Innenseite der oberen Gehäusewand 222 angebracht, wobei die Finnen mehrere Kühlkanäle 284 zum Durchströmen mit einer isolierenden Kühlflüssigkeit 26 definieren.
Erfindungsgemäß sind die Halbleiterschaltelemente 24 auf dem Substrat derart angeordnet, dass die Halbleiterschaltelemente 24 von der isolierenden Kühlflüssigkeit 26 beaufschlagt sind. Die isolierende Kühlflüssigkeit 26 ist hier beispielhaft bis zu einem Niveau im Gehäuse 22 verschließend enthalten, das unterhalb der Kühlstruktur 282 ist. Alternativ kann der Wärmetauscher 28 und/oder die Kühlstruktur 282 bis in die Kühlflüssigkeit 26 hineinragen.
Im Betrieb erzeugen die Halbleiterschaltelemente 24 aufgrund Einspeisen hoher elektrischer Leistung Joule'sche Wärme, die dank der direkten Beaufschlagung unmittelbar auf die isolierende Kühlflüssigkeit 26 übertragen wird. Die isolierende Kühlflüssigkeit 26 wird hierdurch erhitzt. Bei einem Siedepunkt der isolierenden Kühlflüssigkeit 26, der im Normalbetrieb des Inverters erreichbar ist, wird in Form von Gasblasen nach oben in Richtung der Kühlstruktur 282 und des Wärmetauschers 28 geleitet. Dort findet ein Wärmeaustausch zwischen dem gasförmigen Kühlmittel 26 und der Kühlstruktur 282 bzw. dem Wärmetauscher 28 statt, bei dem sich das Kühlmittel 26 wieder kondensiert und zur Kühlflüssigkeit wird. Die isolierende Kühlflüssigkeit 26 kann wieder nach unten ins Reservoir tropfen.
Auf diese Weise entsteht ein Kühlkreislauf mit erhöhter Effizienz. Der thermische Widerstand zwischen den Halbleiterschaltelementen 24 und der Kühlflüssigkeit 26 wird stark minimiert. Damit einhergehend wird der Wärmepfad optimiert. Außerdem kann auf eine mehrlagige Substratstruktur wie Direct Bonded Copper (DBC) verzichtet werden, wodurch auch ein komplexer Anbindungsprozess wie das Löten oder Sintern zwischen dem DBC und der Kühlplatte des Kühlkörpers entfällt. Da die Kühlflüssigkeit selbst elektrisch isolierend ist, kann auf ein Umspritzen der Halbleiterschaltelemente 24 mit einer isolierenden Vergussmasse ebenfalls verzichtet werden.
Der Herstellungsaufwand des Inverters ist daher bei gleichzeitig verbesserter thermischer Kopplung zwischen den Halbleiterschaltelementen 24 und der Kühlflüssigkeit 26 stark reduziert. Dies wirkt sich sowohl kostenseitig als auch funktionsseitig positiv auf den Inverter aus.
Bezugszeichenliste

10: Halbbrücke
12: Substrat
122: Schutzwandelemente
14: Leistungsanschlüsse
16: Signalanschlüsse
22: Gehäuse
222: obere Gehäusewand
224: untere Gehäusewand
24: Halbleiterschaltelemente
26: Kühlflüssigkeit
28: Wärmetauscher
282: Kühlstruktur
284: Kühlkanäle

Claims

Halbbrücke (10) für einen elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, die Halbbrücke (10) umfassend ein Substrat (12), Halbleiterschaltelemente (24), Leistungsanschlüsse (14) und Signalanschlüsse (16), wobei die Signalanschlüsse (16) derart an die Halbleiterschaltelemente (24) elektrisch angebunden sind, dass die Halbleiterschaltelemente (24) über die Signalanschlüsse (16) schaltbar sind und wobei die Leistungsanschlüsse (14) derart an die Halbleiterschaltelemente (24) elektrisch angebunden sind, dass die Halbleiterschaltelemente (24) eine elektrische Leistungsübertragung zwischen den Leistungsanschlüssen (14) zulassen oder unterbrechen, wobei die Halbleiterschaltelemente (24) auf dem Substrat (12) angeordnet sind, wobei das Substrat (12) in einem Gehäuse (22), welches eine isolierende Kühlflüssigkeit (26) enthält, derart aufgenommen ist, dass die Halbleiterschaltelemente (24) von der Kühlflüssigkeit (26) beaufschlagt sind.
Halbbrücke (10) nach Anspruch 1, wobei ein Wärmetauscher (28) an einer von den Halbleiterschaltelementen (24) abgewandten Gehäusewand (222) des Gehäuses (22) angebracht ist.
Halbbrücke (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich der Wärmetauscher (28) von einer äußeren Seite des Gehäuses (22) in einen Innenraum (224) des Gehäuses (22) hineinerstreckt.
Halbbrücke (10) nach Anspruch 3, wobei der Wärmetauscher (28) in die Kühlflüssigkeit (26) hineinragt.
Halbbrücke (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei sich eine Kühlstruktur (282) mit mehreren Kühlkanälen (284) von einer von den Halbleiterschaltelementen (24) abgewandten Gehäusewand (222) des Gehäuses (22) nach innen erstreckt.
Halbbrücke (10) nach Anspruch 5, wobei die Kühlstruktur (282) in die Kühlflüssigkeit (26) hineinragt.
Halbbrücke (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei mehrere Schutzwandelemente (122) senkrecht zum Substrat (12) an diesem angeordnet sind.
Halbbrücke (10) nach Anspruch 7, wobei die mehreren Schutzwandelemente (122) mehrere Zwischenräume (124) zwischen benachbarten Schutzwandelementen (122) definieren, wobei die Halbleiterschaltelemente (24) jeweils in einem zugehörigen Zwischenraum (124) angeordnet sind.
Halbbrücke (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Gehäuse (22) die Kühlflüssigkeit (26) verschließend enthält.
Leistungsmodul für einen Inverter, umfassend mindestens drei Halbbrücken (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Inverter für einen elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, umfassend ein Leistungsmodul nach Anspruch 10.