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Die Erfindung betrifft ein Halbleiterleistungsmodul für einen Stromrichter, insbesondere für einen Wechselrichter, zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, einen entsprechenden Stromrichter, insbesondere einen Wechselrichter, einen entsprechenden elektrischen Achsantrieb mit einem solchen Stromrichter sowie ein entsprechendes Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb.
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Im Stand der Technik sind reine Elektrofahrzeuge sowie Hybridfahrzeuge bekannt, welche vollständig 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 (DC-Quellen) ausgebildet, die elektrischen Maschinen benötigen in der Regel jedoch eine Wechselspannung (AC-Spannung). Daher wird zwischen einer Batterie und einer elektrischen Maschine (E-Maschine) eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs üblicherweise eine Leistungselektronik mit einem sog. Wechselrichter geschaltet. Dabei wandelt der Wechselrichter eine DC-Spannung in eine AC-Spannung um. Neben reinen Elektrofahrzeugen sind auch Brennstoffzellenfahrzeuge bekannt. Brennstoffzellen wandeln chemische Brennstoffe wie Wasserstoff direkt in elektrische Energie um. Die Brennstoffzellen funktionieren wie wiederaufladbare elektrische Batterien, wenn die Elektromotoren durch elektrische Energie angetrieben werden.
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Ein eingangs erwähnter Stromrichter kann auch ein DC/DC-Wandler oder ein AC/DC-Wandler sein. Die Ausgangsspannung von Batterien und Brennstoffzellen unterscheidet sich normalerweise von der geeigneten Spannung für die Wechselrichter. Dabei werden DC/DC-Wandler zwischen die Batterien bzw. die Brennstoffzellen geschaltet und wandeln die Gleichspannung der Batterien bzw. der Brennstoffzellen in die entsprechende Spannung für Wechselrichter um. Wenn wiederaufladbare Batterien von einer netzgekoppelten Wechselstromleitung geladen werden, werden AC/DC-Wandler zwischen die Wechselstromleitung und die Batterien geschaltet. Ein Wechselrichter fungiert auch als AC/DC-Wandler, wenn der Motor als regenerative Bremse verwendet wird, um die zurückgewonnene Energie in den wiederaufladbaren Batterien zu laden.
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Derartige Stromrichter, insbesondere Wechselrichter, umfassen üblicherweise Halbleiterschaltelemente, die typischerweise aus Transistoren, etwa MOSFETs oder IGBTs, gebildet sind. Dabei ist es bekannt, die Halbleiterschaltelemente als sogenannte Halbbrücken auszugestalten, die über eine Highside-Einrichtung (d.h., Einrichtung auf Seite des hohen Potentials) und eine Lowside-Einrichtung (d.h., Einrichtung auf Seite des niedrigen Potentials) verfügen. Diese Highside- bzw. Lowside-Einrichtung umfasst ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente, die im Betrieb des Wechselrichters gezielt gesteuert werden, um aus einem eingangsseitig der Halbbrücken eingespeisten DC-Strom mehrere voneinander zeitlich versetzte Phasenströme eines AC-Stroms zu erzeugen, wobei die Phasenströme jeweils für sich zeitlich veränderlich sind und in der Regel einen sinusförmigen Verlauf annehmen.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Halbleiterleistungsmodulen besteht das Problem, dass Wärme, die aufgrund hoher Verlustleistung in den Halbleiterschaltelementen entsteht, nicht hinreichend wirksam abgeführt werden kann, insbesondere wenn Halbleiterschaltelemente mit vergleichsweise niedriger thermischer Leitfähigkeit verwendet werden. Die Halbleiterschaltelemente sind deshalb einer Überhitzungsgefahr ausgesetzt, die die Funktionalität des gesamten Stromrichters beeinträchtigen kann.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Halbleiterleistungsmodul für einen Stromrichter, insbesondere einen Wechselrichter, bereitzustellen, um die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise zu beheben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Halbleiterleistungsmodul, den Stromrichter, den elektrischen Achsantrieb sowie das Fahrzeug gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
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Die Erfindung betrifft ein Halbleiterleistungsmodul für einen Stromrichter zum Betreiben eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug. Der Stromrichter ist vorzugsweise ein DC/AC-Wechselrichter zum Umwandeln einer DC-Spannung in eine AC-Spannung. Alternativ kann der Stromrichter als DC/DC-Gleichrichter zum Umwandeln einer DC-Eingangsspannung in eine von dieser verschiedene DC-Ausgangsspannung ausgebildet sein.
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Das Halbleiterleistungsmodul umfasst mehrere Halbleiterschaltelemente zum Erzeugen eines Ausgangsstroms basierend auf einem von einer Spannungsquelle bereitgestellten Eingangsstrom mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente. Im Fall eines Wechselrichters handelt es sich beim Eingangsstrom um einen von einer DC-Spannungsquelle bereitgestellten DC-Strom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen AC-Strom mit mehreren Phasenströmen handelt. Im Fall eines Gleichrichters handelt es sich beim Eingangsstrom um einen von einer DC-Spannungsquelle bereitgestellten DC-Eingangsstrom, wobei es sich bei der Ausgangsspannung um eine DC-Spannung handelt, die von der DC-Eingangsspannung verschieden ist, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen vom DC-Eingangsstrom verschiedenen DC-Ausgangsstrom handelt, der vorzugsweise zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie dient, wobei letzterer DC-ausgangsseitig zugeführt wird.
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Die Halbleiterschaltelemente umfassen mehrere Dioden, die jeweils eine Anode und eine Kathode aufweisen. Vorzugsweise umfassen die Halbleiterschaltelemente mehrere Bipolartransistoren, insbesondere IGBTs. Das den Bipolartransistoren (insbesondere den IGBTs) zugrunde liegende Halbleitermaterial ist vorzugsweise Silizium. Alternativ kann ein sogenannter Halbleiter mit einer großen Bandlücke (Engl.: Wide bandgap semiconductors, WBS), etwa Siliziumcarbid oder Galliumnitrid, für die Bipolartransistoren (insbesondere die IGBTs) verwendet werden. Die Dioden sind vorzugsweise als Schottky-Dioden ausgebildet. Das den Dioden zugrunde liegende Halbleitermaterial ist vorzugsweise eine Galliumoxid-Verbindung oder einer der oben genannten WBS.
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Das Halbleiterleistungsmodul umfasst außerdem einen ersten Leiterrahmen und einen zweiten Leiterrahmen mit mehreren Leiterbahnen zum elektrischen Verbinden der Halbleiterschaltelemente, um eine Halbbrücke aufweisend eine Highside und eine Lowside basierend auf den Halbleiterschaltelementen zu bilden, wobei der erste Leiterrahmen der Highside zugeordnet und der zweite Leiterrahmen der Lowside zugeordnet ist. Auf diese Weise kann ein Schalterstrom durch die jeweiligen Halbleiterschaltelemente geleitet oder gesperrt werden. Der erste Leiterrahmen und/oder der zweite Leiterrahmen sind vorzugsweise durch eine obere Metalllage eines mehrschichtigen Substrats, insbesondere durch zwei voneinander elektrisch isolierte bzw. potentialgetrennte Bereiche der oberen Metalllage, bereitgestellt, wobei das Substrat zusätzlich eine untere Metalllage und eine zwischen den beiden Metalllagen befindliche Isolationslage umfasst. Das Substrat ist beispielsweise ein Direct-Bonded-Cop-per(DBC)-Substrat oder ein Insulated-Metal-Substrate (IMS). Auf dem ersten Leiterrahmen und dem zweiten Leiterrahmen können jeweils mehrere Halbleiterschaltelemente angebracht sein. Die auf dem der Highside zugeordneten Leiterrahmen angebrachten Halbleiterschaltelemente bilden die Highside, wobei die auf dem der Lowside zugeordneteten Leiterrahmen angebrachten Halbleiterschaltelemente die Lowside bilden.
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Ein Kühler ist unterseitig des Halbleiterleistungsmoduls angeordnet und steht mit den Halbleiterschaltelementen in thermischer Kopplung, um Wärme, die im Betrieb des Halbleiterleistungsmoduls aufgrund hoher Verlustleistung entsteht, wirksam abzuführen und auf diese Weise die Halbleiterschaltelemente und weitere Bauteile des Halbleiterleistungsmoduls bzw. des Stromrichters vor Überhitzung zu schützen. Vorzugsweise ist der Kühler von unten an das mehrschichtige Substrat, insbesondere an die untere Metalllage des Substrats, angebunden. Der Kühler kann eine Kühlplatte mit einer darunter angeordneten Pin-Fin-Struktur aus mehreren Finnen umfassen, die mehrere Kühlleitungen zum Durchströmen mit einem Kühlmedium, etwa Wasser, definieren.
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Erfindungsgemäß sind die Dioden derart zwischen dem ersten Leiterrahmen und dem zweiten Leiterrahmen elektrisch kontaktiert, dass die Anode der Dioden dem an das Halbleiterleistungsmodul mechanisch angebundenen und thermisch gekoppelten Kühler zugewandt ist. Zum Beispiel ist im Fall, dass der Kühler auf einer dem ersten Leiterrahmen und/oder dem zweiten Leiterrahmen zugewandten Seite des Halbleiterleistungsmoduls angeordnet ist, die Anode der Dioden dem ersten bzw. zweiten Leiterrahmen zugewandt angeordnet. Dies ist der Fall, wenn der erste und/oder zweite Leiterrahmen, wie oben beispielhaft beschrieben, durch die obere Metalllage des mehrschichtigen Substrats bereitgestellt ist und wenn der Kühler unterseitig an die untere Metalllage des mehrschichtigen Substrats angebunden ist. In den Dioden, etwa Galliumoxid-basierten Schottky-Dioden, entsteht die Wärme größtenteils im Bereich der Anode. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme kann diese Wärme daher besonders wirksam abgeführt werden, sodass die Dioden besser vor Überhitzung geschützt sind. Die Funktionalität des gesamten Stromrichters ist somit verbessert.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen die als Bipolartransistoren, insbesondere als Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode, ausgebildeten Halbleiterschaltelemente jeweils eine pluspolige Stromelektrode (z.B. Kollektorkontakt) und eine minuspolige Stromelektrode (z.B. Emitterkontakt) auf, wobei die minuspolige Stromelektrode vom ersten beziehungsweise zweiten Leiterrahmen (insbesondere vom Substrat) abgewandt und die pluspolige Stromelektrode dem ersten beziehungsweise zweiten Leiterrahmen (insbesondere dem Substrat, vorzugsweise der oberen Metalllage des mehrschichtigen Substrats, z.B. des DBC-Substrats) zugewandt angeordnet sind. Dies ermöglicht eine besonders einfache Verschaltung der Bipolartransistoren, um eine Halbbrücke zu bilden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Halbleiterleistungsmodul als Halbrückenmodul mit einer Modul-Highside und einer Modul-Lowside ausgebildet, wobei die Modul-Highside und die Modul-Lowside jeweils ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente umfassen. In diesem Fall kann das Halbbrückenmodul selbst als eine vollständige Halbbrücke fungieren und so eine von mehreren Phaseneinheiten des Stromrichters bereitstellen. Alternativ können mehrere Halbbrückenmodule miteinander kombiniert werden, um eine hinsichtlich der maximal tragbaren Strommenge erweiterte Halbbrücke und somit eine erweiterte Phaseneinheit zu bilden. Die Modul-Highsides sind zueinander parallelgeschaltet, um die Highside der kombinierten Halbbrücke zu bilden. Gleichzeitig sind die Modul-Lowsides zueinander parallelgeschaltet, um die Lowside der kombinierten Halbbrücke zu bilden. In einem Stromrichter, insbesondere einem Wechselrichter, können mehrere, beispielsweise drei, solche kombinierten Halbbrücken verwendet werden, wobei jede kombinierte Halbbrücke eine Phaseneinheit bildet, an deren Stromausgang einer von mehreren Phasenströmen des AC-Stroms erzeugt wird.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen Stromrichter zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs, insbesondere einer im Letzteren verbauten elektrischen Maschine mit einem solchen Halbleiterleistungsmodul, einen entsprechenden elektrischen Achsantrieb sowie ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb. Der Stromrichter kann als Wechselrichter oder Gleichrichter ausgebildet sein und mehrere (beispielsweise drei) Phaseneinheiten aufweisen. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Halbleiterleistungsmodul beschriebenen Vorteile auch für den erfindungsgemäßen Stromrichter, den erfindungsgemäßen elektrischen Achsantrieb und das erfindungsgemäße Fahrzeug.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Halbleiterleistungsmoduls Draufsicht, wobei das Halbleiterleistungsmodul mehrere Bipolartransistoren und Dioden umfasst,
- 2 eine schematische Darstellung einer der Dioden des Halbleiterleistungsmoduls aus 1 in einer Querschnittsansicht.
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Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Halbleiterleistungsmoduls 10 für einen Stromrichter (nicht gezeigt) in einer Draufsicht. Der Stromrichter ist dazu ausgebildet, einen elektrischen Achsantrieb in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug zu bestromen. Der Stromrichter ist vorzugsweise als DC/AC-Wechselrichter zum Umwandeln eines eingangsseitigen DC-Stroms in einen ausgangsseitigen AC-Strom, weiter vorzugsweise einen mehrphasigen AC-Strom mit mehreren AC-Phasenströmen, ausgebildet. Dazu weist der Stromrichter bzw. Wechselrichter mehrere Phaseneinheiten auf, die jeweils zum Erzeugen eines der AC-Phasenströme verschaltet sind. Das Halbleiterleistungsmodul 10 ist vorzugsweise als Halbbrückenmodul ausgebildet, das eine Modul-Highside und eine Modul-Lowside aufweist und eine vollständige Halbbrückenschaltung bereitstellt. Im Stromrichter können pro Phaseneinheit ein oder mehrere solche Halbbrückenmodule kombiniert Einsatz finden. Im Fall, dass jeder Phaseneinheit mehrere Halbbrückenmodule zugeordnet sind, sind die Modul-Highsides dieser Halbbrückenmodule vorzugsweise miteinander parallelgeschaltet, um eine Highside-Einrichtung der gesamten Phaseneinheit zu bilden. Gleichzeitig sind die Modul-Lowsides dieser Halbbrückenmodule vorzugsweise miteinander parallelgeschaltet, um eine Lowside-Einrichtung der gesamten Phaseneinheit zu bilden.
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Das Halbleiterleistungsmodul 10 umfasst mehrere Halbleiterschaltelemente 12, 14, die gezielt schaltbar sind, um die Stromumwandlung zu bewerkstelligen. Wie in 1 schematisch gezeigt, sind mehrere Bipolartransistoren 12 und mehrere Dioden 14 im Halbleiterleistungsmodul 10 enthalten. Die Bipolartransistoren 12 sind vom Typ NPN oder vorzugsweise als Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs oder n-Kanal-IGBTs) mit Silizium als Basismaterial und die Dioden 14 vorzugsweise als Schottky-Dioden mit Galliumoxid als Basismaterial ausgestaltet. Das Leistungsmodul 10 umfasst einen ersten Leiterrahmen 16, der hier beispielhaft und bevorzugt als pluspoliger DC-Leiterrahmen (Engl.: DC positive leadframe) ausgebildet ist, einen zweiten Leiterrahmen 18, der hier beispielhaft und bevorzugt als AC-Leiterrahmen (Engl.: AC leadframe) ausgebildet ist, und einen dritten Leiterrahmen 20, der hier beispielhaft und bevorzugt als minuspoliger DC-Leiterrahmen (Engl.: DC negative leadframe) ausgebildet ist. Zusätzlich umfasst das Leistungsmodul 10 einen Gate-Leiterrahmen 22 für die Modul-Highside und einen weiteren Gate-Leiterrahmen 24 für die Modul-Lowside. Die Transistoren 12 sind zur Hälfte auf dem pluspoligen DC-Leiterrahmen 16 und zur anderen Hälfte auf dem AC-Leiterrahmen 18 angeordnet. Der untere Kontakt, der als Kollektorelektrode der Transistoren 12 fungiert, ist physisch und elektrisch mit diesen Leiterrahmen 16, 18 verbunden. Die Dioden 14 sind zur Hälfte auf dem AC-Leiterrahmen 18 und zur anderen Hälfte auf dem minuspoligen DC-Leiterrahmen 20 angeordnet. Die Anode der Dioden 14 ist physikalisch und elektrisch mit diesen Leiterrahmen 18, 20 verbunden. Der pluspolige DC-Leiterrahmen 16 ist elektrisch mit den Kathodenkontakten 144 der Dioden 14 auf dem AC-Leiterrahmen 18 durch leitende Pfade 162 verbunden. Der AC-Leiterrahmen 18 ist mit den Emitterkontakten 122 auf den Bipolartransistoren 12 auf dem pluspoligen DC-Leiterrahmen 16 durch leitende Pfade 182 elektrisch verbunden. Der AC-Leiterrahmen 18 ist auch mit den Kathodenkontakten 144 der Dioden 14 auf dem minuspoligen DC-Leiterrahmen 20 durch leitende Pfade 184 elektrisch verbunden. Der minuspolige DC-Leiterrahmen 20 ist mit den Emitterkontakten 122 der Bipolartransistoren 12 auf dem AC-Leiterrahmen 18 durch die leitenden Pfade 202 elektrisch verbunden. Der Gate-Leiterrahmen 22 für die Modul-Highside ist mit den Gate-Kontakten 124 der Bipolartransistoren 12 auf dem pluspoligen DC-Leiterrahmen 16 durch den Verbindungsdraht 222 elektrisch verbunden. Der Gate-Leiterrahmen 24 für die Modul-Lowside ist durch den Bonddraht 242 mit den Gate-Kontakten 124 der Bipolartransistoren 12 auf dem AC-Leiterrahmen 18 elektrisch verbunden.
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Der Aufbau der Dioden 14 ist in 2 in einer schematischen Querschnittsansicht gezeigt. Die Diode 14 umfasst eine Anode 142 und eine Kathode 144. Wie in 2 ersichtlich, ist die Anode 142 im aufgebauten Zustand der Diode 14 dem unteren AC-Leiterrahmen 18 oder dem minuspoligen DC-Leiterrahmen 20 zugewandt. Ein hier nicht gezeigter Kühler wird vorzugsweise unterseitig an den unteren Leiterrahmen 18 oder 20 angebunden, um Wärme, die im Betrieb der Halbleiterschaltelemente 12, 14 entsteht, abzuführen. Dadurch, dass bei einer Diode 14 die Wärme hauptsächlich im Bereich der Anode 142 erzeugt wird, ist eine solche Anordnung zwecks wirksamer Wärmeabfuhr besonders vorteilhaft.
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Bezugszeichen
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- 10
- Halbleiterleistungsmodul
- 12
- Bipolartransistoren
- 122
- Emitterkontakt
- 124
- Gatekontakt
- 14
- Dioden
- 142
- Anode
- 144
- Kathodenkontakt
- 16
- erster Leiterrahmen (pluspoliger DC-Leiterrahmen)
- 162
- Leiterbahnen für pluspoligen DC-Leiterrahmen
- 18
- zweiter Leiterrahmen (AC-Leiterrahmen)
- 182
- Leiterbahnen für AC-Leiterrahmen zur positiven Seite
- 184
- Leiterbahnen für AC-Leiterrahmen zur negativen Seite
- 20
- dritter Leiterrahmen (minuspoliger DC-Leiterrahmen)
- 202
- Leiterbahnen für minuspoligen DC-Leiterrahmen
- 22
- Gate-Leiterrahmen für Modul-Highside
- 222
- Gateverdrahtung für Modul-Highside
- 24
- Gate-Leiterrahmen für Modul-Lowside
- 242
- Gateverdrahtung für Modul-Lowside