DE102022201329A1

DE102022201329A1 - Schaltermodul für einen Inverter, Inverter mit mehreren solchen Schaltermodulen sowie Fahrzeug mit dem Inverter

Info

Publication number: DE102022201329A1
Application number: DE102022201329.8A
Authority: DE
Inventors: Stefan Hain; Ake Ewald
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-02-09
Filing date: 2022-02-09
Publication date: 2023-08-10
Also published as: US20230301008A1; CN116582017A

Abstract

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schaltermodul (100, 200, 300, 400) für einen Inverter (10, 10', 10'', 10''', 10'''') zum Bestromen eines elektrischen Antriebs in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug bereitzustellen, umfassend eine Highside-Schalteinrichtung und eine Lowside-Schalteinrichtung, die jeweils mindestens ein Halbleiterschaltelement aufweisen, wobei die Halbleiterschaltelemente auf einem flachen Substrat angebracht sind; einen DC-Eingangsanschluss mit einem positiven DC-Eingangskontakt (112, 212, 312, 412) und einem negativen DC-Eingangskontakt (114, 214, 314, 414), wobei der DC-Eingangsanschluss dazu ausgebildet ist, einen von einer DC-Spannungsquelle bereitgestellten DC-Eingangsstrom in die Highside-Schalteinrichtung und die Lowside-Schalteinrichtung einzuspeisen; einen AC-Ausgangsanschluss (116, 216, 316, 416) zur Abgabe eines AC-Phasenstroms eines mehrphasigen AC-Ausgangsstroms, der mittels Ansteuerns der Highside-Schalteinrichtung und der Lowside-Schalteinrichtung basierend auf dem DC-Eingangsstrom erzeugt ist; einen Mikrokühlkörper (120, 220, 320, 420) mit einem Kühlmedienzufluss (122, 222, 322, 422), einem Kühlmedienabfluss und einer zwischen dem Kühlmedienzufluss (122, 222, 322, 422) und dem Kühlmedienabfluss verbindenden Kühlkanalstruktur (124, 224, 324, 424); wobei der Mikrokühlkörper (120, 220, 320, 420) derart ausgebildet ist, dass mehrere Mikrokühlkörper (120, 220, 320, 420), die jeweils einem von mehreren Schaltermodulen (100, 200, 300, 400) des Inverters zugeordnet sind, an ihrem jeweiligen Kühlmedienzufluss (122, 222, 322, 422) und/oder Kühlmedienabfluss miteinander fluidverbindend lösbar verbindbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltermodul für einen Inverter, der zum Bestromen eines elektrischen Antriebs in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft auch einen Inverter mit einer Mehrzahl an solchen Schaltermodulen.
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, welche in Abhängigkeit der Phasenlage elektrische Verbindungen herstellen bzw. aufheben. Die Halbleiterschaltelemente sind typischerweise aus Transistoren gebildet. Dabei ist es bekannt, die Halbleiterschaltelemente als Schaltermodule anzuordnen, die jeweils eine Halbbrücke umfassen. 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 Halbleiterschaltelemente umfassen, die parallelgeschaltet sind.
Zwar vertragen solche Halbleiterschaltelemente die Schaltfrequenz sowie den Schaltstrom. Im Betrieb erwärmen sie sich jedoch stark und müssen daher entsprechend anwendungsgerecht platziert und gekühlt werden. Aus dem Stand der Technik sind Inverter bekannt, bei denen ein gemeinsamer Kühlkörper zur Abfuhr der Wärme verwendet wird, die in mehreren Schaltermodulen erzeugt wird. Bauartbedingt ist die Wärmeabfuhr nicht hinreichend effektiv, sodass es zu Überhitzungen der einzelnen Halbleiterschaltelemente kommen kann. Außerdem ist ein solches Kühlkonzept hinsichtlich der Skalierbarkeit das Schaltermodule bzw. des Inverters nachteilig. Beispielsweise wird stets ein neuer Kühlkörper benötigt, wenn sich die Anzahl oder die Anordnung das Schaltermodule im Inverter ändert.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schaltermodul für einen Inverter bereitzustellen, welches besonders einfach skalierbar und somit in Invertern verschiedener Bauformen flexibel einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Schaltermodul, einen Inverter sowie ein Fahrzeug gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Bevorzugte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung mit den Figuren.
Die Erfindung betrifft ein Schaltermodul, das für einen Inverter zum Betreiben eines elektrischen Antriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug verwendet wird. Das Schaltermodul ist als Halbbrücke ausgebildet und umfasst eine Highside-Schalteinrichtung und eine Lowside-Schalteinrichtung, die jeweils ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente aufweisen. Die Halbleiterschaltelemente können als Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) oder als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) ausgebildet sein. Als den Halbleiterschaltelementen zugrunde liegendes Basismaterial können konventionelle Halbleitermaterialien wie Silizium oder sogenannte Halbleiter mit großen Bandlücken wie Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) verwendet werden. Diese Arten von Halbleiterschaltelementen sind vergleichsweise gut zum verlustarmen und schnellen Schalten auch bei hohen Strömen geeignet.
Die Halbleiterschaltelement sind auf einem flachen Substrat angebracht. Das Substrat kann beispielsweise als DBC- (Direct Bonded Copper) Substrat, als AMB- (Active Metal Brazing) Substrat oder als IM- (Insulated Metal) Substrat ausgebildet sein. Auf einer ersten Seite des Substrats sind die Halbleiterschaltelemente angeordnet.
Das Substrat ist bevorzugt rechteckig ausgebildet, insbesondere als flaches, scheibenartiges Rechteck, mit je zwei gegenüberliegenden Seitenkanten. Ggf. kann das Substrat auch quadratisch ausgebildet sein. Wenn das Substrat als DBC-Substrat ausgebildet ist, umfasst das Substrat eine erste und eine zweite Metallschicht und eine dazwischen angeordnete Isolationsschicht, wobei die Halbleiterschaltelemente auf der ersten Metallschicht angebracht sind. An die der ersten Metallschicht gegenüberliegende zweite Metallschicht wird vorzugsweise der Kühlkörper angebunden.
Das Schaltermodul umfasst außerdem einen DC-Eingangsanschluss mit einem positiven DC-Eingangskontakt und einem negativen DC-Eingangskontakt. Der DC-Eingangsanschluss ist dazu ausgebildet, einen von einer DC-Spannungsquelle bereitgestellten DC-Eingangsstrom (Gleichstrom) in die Highside-Schalteinrichtung und die Lowside-Schalteinrichtung einzuspeisen. Der eingespeiste DC-Eingangsstrom wird mittels Ansteuerns der Highside-Schalteinrichtung und der Lowside-Schalteinrichtung in einen mehrphasigen AC-Ausgangsstrom (Wechselstrom) umgewandelt. Das Schaltermodul umfasst außerdem einen AC-Ausgangsanschluss zur Abgabe eines von mehreren AC-Phasenströmen des mehrphasigen AC-Ausgangsstroms. Somit ist die Halbbrücke des Schaltermoduls dem AC-Phasenstrom fest zugeordnet. Im Inverter können mehrere Schaltermodule zum Erzeugen der mehreren AC-Phasenströme versehen sein, wobei pro AC-Phasenstrom (bzw. pro Phase) ein oder mehrere zueinander parallelgeschaltete Schaltermodule zugeordnet sein können.
Zusätzlich umfasst das Schaltermodul einen eigenen Mikrokühlkörper zur Abfuhr von Wärme, die im Schaltermodul, insbesondere in den mit hohen Strömen beaufschlagten Halbleiterschaltelementen, erzeugt wird. Der Mikrokühlkörper weist einen Kühlmedienzufluss, einen Kühlmedienabfluss und eine zwischen dem Kühlmedienzufluss und dem Kühlmedienabfluss verbindende Kühlkanalstruktur auf. Die Kühlkanalstruktur kann mehrere Kühlkanäle bzw. Kühlleitungen umfassen, die im Inneren des Schaltermoduls verlaufen, um eine möglichst große Kühlfläche, d.h. die Gesamtheit der Flächenabschnitte, an denen der Mikrokühlkörper mit den anderen, Wärme erzeugenden Komponenten im Schaltermodul in thermischer Kopplung steht, bereitzustellen. Die Kühlkanäle werden von einem Kühlmedium, etwa Wasser, durchflossen. Das Kühlmedium wird vorzugsweise einem Hauptkühlmedienzufluss des Inverters zugeführt. Von dort gelangt das Kühlmedium über eine Hauptverteilerleitung an Kühlmedienzuflüsse der einzelnen Schaltermodule. In der Kühlkanalstruktur der jeweiligen Schaltermodule wird mittels des Kühlmediums der Umgebung, d.h. den die Kühlkanalstruktur umgebenden Bauteilen des Schaltermoduls, Wärme entzogen. Das hierdurch erwärmte Kühlmedium wird durch Kühlmedienabflüsse der jeweiligen Schaltermodule zurück in die Hauptverteilerleitung des Inverters befördert und tritt am Ende des Kühlkreislaufs vorzugsweise aus einem Hauptkühlmedienabfluss wieder aus dem Inverter aus.
Erfindungsgemäß ist der Mikrokühlkörper derart ausgebildet, dass mehrere Mikrokühlkörper, die jeweils einem von mehreren im Inverter verbauten Schaltermodulen zugeordnet sind, an ihrem jeweiligen Kühlmedienzufluss und/oder Kühlmedienabfluss miteinander fluidverbindend lösbar verbindbar sind. Dies bedeutet, dass beim Anordnen der mehreren Schaltermodule die verschiedenen Mikrokühlkörper an den Kühlmedienzuflüssen bzw. an den Kühlmedienabflüssen miteinander kombiniert werden können, wobei das Kombinieren auch wieder rückgängig gemacht werden kann, wenn die Schaltermodule anders angeordnet werden soll. Diese Maßnahme ist hinsichtlich hoher Skalierbarkeit und zugleich effektiver Wärmeabfuhr des Inverters besonders vorteilhaft, da mehrere Schaltermodule auf flexible Weise miteinander kombinierbar sind und gleichzeitig unabhängig von der Anzahl und Anordnung das Schaltermodule aufgrund der in jedem Schaltermodul verbauten Mikrokühlkörper eine wirksame Abkühlung der Halbleiterschaltelemente erzielbar ist.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Kühlkanalstruktur einen zu einer Hauptebene des Schaltermoduls, die durch das flache Substrat definiert ist, senkrecht verlaufenden Verteilerabschnitt auf. Die Hauptebene ist parallel zur größten Fläche des flachen, vorzugsweise mehrschichtigen Substrats. Der Verteilerabschnitt dient dazu, den Kühlmedienzufluss und/oder den Kühlmedienabfluss einerseits mit den Kühlkanälen zu verbinden. Insbesondere dient der Verteilerabschnitt dazu, das Kühlmedium an die Kühlkanäle zu verteilen, sodass die Wärmeabfuhr an vielen lokalen Stellen im Schaltermodul stattfindet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Kühlkanalstruktur einen oder mehrere Kühlkanäle auf, die parallel zur Hauptebene des Schaltermoduls, die durch das flache Substrat definiert ist, verlaufen. Diese Maßnahme vergrößert besonders wirksam die Kühlfläche des Mikrokühlkörpers und verbessert damit die Wärmeabfuhr.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Schaltermodul einen diesem fest zugeordneten, separaten Zwischenkreiskondensator auf. Der Zwischenkreiskondensator ist dazu ausgelegt, Störsignale aus einer von der DC-Spannungsquelle bereitgestellten DC-Spannung zu reduzieren. Indem jedem einzelnen Schaltermodul ein separater Zwischenkreiskondensator fest zugeordnet wird, lässt sich die DC-Spannung am Eingang der Halbleiterschaltelemente besonders wirksam stabilisieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind mehrere DC-Zwischenkreiskondensatoren, die jeweils einem von mehreren Schaltermodulen des Inverters zugeordnet sind, miteinander elektrisch verbindbar. Vorzugsweise sind die DC-Zwischenkreiskondensatoren zueinander parallel verschaltet, sodass ihre positiven Eingänge miteinander verbunden sind, wobei ihre negativen Eingänge miteinander verbunden sind. Diese Maßnahme ermöglicht Schaltermodule, die jeweils einen separaten DC-Zwischenkreiskondensator umfassen. Die spannungsstabilisierende Eigenschaft wird dadurch für jede einzelne Halbbrücke des Inverters verbessert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich die Kühlkanalstruktur unmittelbar am Zwischenkreiskondensator, insbesondere zwischen dem Substrat und dem Zwischenkreiskondensator. Auf diese Weise lässt sich im Zwischenkreiskondensator und in den auf dem Substrat angeordneten Halbleiterschaltelementen erzeugte Wärme wirksam abführen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Schaltermodul eine diesem fest zugeordnete, separate Treiberleiterplatte auf. Diese Maßnahme ist hinsichtlich hoher Skalierbarkeit und zugleich effektiver Wärmeabfuhr des Inverters besonders vorteilhaft. Die Schaltermodule können einschließlich der Treiberleiterplatte zunächst modular vorbestimmt und je nach Bauraumsituation des Inverters sowie Leistungsanforderungen des elektrischen Antriebs miteinander kombiniert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich die Kühlkanalstruktur unmittelbar an der Treiberleiterplatte, insbesondere zwischen dem Substrat und der Treiberleiterplatte. Auf diese Weise lassen sich die Treiberleiterplatten der einzelnen Schaltermodule wirksam gekühlt werden, sodass die Wärmeabfuhr für den gesamten Inverter verbessert ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich ein Verteilerabschnitt der Kühlkanalstruktur in einem Randbereich der Treiberleiterplatte senkrecht zu einer Hauptebene des Schaltermoduls, die durch das flache Substrat definiert ist. Vorzugsweise erstrecken sich im Schaltermodul mehrere Kühlebenen der Kühlkanalstruktur vom Verteilerabschnitt parallel zur Hauptebene. Auf diese Weise kann die Kühlfläche im Schaltermodul vergrößert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Schaltermodul eine AC-Stromschiene zum Weiterleiten des AC-Phasenstroms an den elektrischen Antrieb des Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs auf, wobei mehrere AC-Stromschienen, die jeweils einem von mehreren Schaltermodulen des Inverters und dem gleichen AC-Phasenstrom des AC-Ausgangsstroms zugeordnet sind, miteinander elektrisch verbindbar oder einteilig ausgebildet sind. Diese Maßnahme vereinigt die AC-Stromschienen für jede Halbbrücke, die einer von den mehreren Phasen des Ausgangsstroms zugeordnet ist, sodass der gesamte Inverter kompakt gebildet werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich die Kühlkanalstruktur unmittelbar an der AC-Stromschiene. Auf diese Weise kann die AC-Stromschiene unmittelbar gekühlt werden. Die Funktionalität des Inverters ist daher weiter verbessert.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Inverter mit mehreren vorstehend beschriebenen Schaltermodulen, die jeweils einem von mehreren Phasenströmen eines ausgangsseitigen Wechselstroms zugeordnet sind. Außerdem betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem solchen Inverter. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Schaltermodul beschriebenen Vorteile auch für den erfindungsgemäßen Inverter und das erfindungsgemäße Fahrzeug.
Die nachfolgende Beschreibung sowie die Figuren offenbaren bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung. In den Figuren ist dargestellt:

1 eine schematische Darstellung eines Schaltermoduls gemäß einer Ausführungsform in drei Ansichten;
2 eine schematische Darstellung eines Schaltermoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform in drei Ansichten;
3 eine schematische Darstellung eines Schaltermoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform in drei Ansichten;
4 eine schematische Darstellung eines Schaltermoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform in drei Ansichten;
5 eine schematische Darstellung eines Inverters gemäß zwei verschiedener Ausführungsformen, in dem mehrere Schaltermodule in Aneinanderreihung angeordnet sind;
6 eine schematische Darstellung eines Inverters gemäß drei verschiedener Ausführungsformen, in dem mehrere Schaltermodule in Aneinanderreihung oder in einem gewinkelten Verhältnis angeordnet sind.

In den Figuren sind gleiche oder entsprechende Komponenten oder Bereiche mit gleichen oder entsprechenden Bezugszeichen versehen. Die Beschreibung bezieht sich in gleicher Weise jeweils auf alle Figuren.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltermodul 100 gemäß einer Ausführungsform in drei Ansichten. In 1A ist das Schaltermodul 100 in einer ersten Seitenansicht gezeigt. In 1B ist das Schaltermodul 100 in einer zweiten Seitenansicht gezeigt, die gegenüber der ersten Seitenansicht um 90 Grad gedreht ist. In 1C ist das Schaltermodul 100 in einer Draufsicht gezeigt. Das Schaltermodul 100 umfasst mehrere Komponenten, die in einer vertikalen Aufbaurichtung miteinander verbunden sind. So weist das Schaltermodul 100 eine Vergussmasse 118, die dadurch entsteht, dass ein Substrat, auf dem mehrere Halbleiterschaltelemente (nicht gezeigt) angeordnet sind, mit einem Spritzgussmaterial umspritzt wird. Das hier nicht gezeigte Substrat erstreckt sich horizontal entlang einer Hauptebene. Die Halbleiterschaltelemente bilden im Schaltermodul 100 eine Halbbrücke mit einer Highside-Schalteinrichtung und einer Lowside-Schalteinrichtung, die jeweils ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente umfassen. Als Halbleiterschaltelemente können Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) oder Bipolartransistoren mit isolierten Gate-Elektroden (IGBTs) verwendet werden. Als den Halbleiterschaltelementen zugrunde liegendes Halbleitermaterial kann ein sogenannter Halbleiter mit großen Bandlücken (Engl.: Wide Bandgap Semiconductors) wie Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) eingesetzt werden.
Zu Einspeisen eines DC-Eingangsstroms, der von einer hier nicht gezeigten DC-Spannungsquelle (z.B. Batterie) bereitgestellt wird, in die Halbleiterschaltelemente ist ein DC-Eingangsanschluss mit einem positiven DC-Eingangskontakt 112 und einem negativen DC-Eingangskontakt 114 im Schaltermodul 100 vorgesehen und an der Vergussmasse 118 angebracht. Der DC-Eingangsstrom wird mittels gezielten Ansteuerns der im Schaltermodul 100 verbauten Halbleiterschaltelemente in einen von mehreren Phasenströmen eines mehrphasigen AC-Ausgangsstroms umgewandelt. Wie weiter unten näher beschrieben, umfasst der Inverter mehrere Schaltmodule 100 und somit mehrere Halbbrücken, wobei jede Halbbrücke einem Phasenstrom des AC-Ausgangsstroms zugeordnet ist. Zur Abgabe des Phasenstroms an einen elektrischen Antrieb ist ein AC-Ausgangsanschluss 116 ausgebildet und an der Vergussmasse 118 angebracht. Wie in 1B gezeigt, ist eine AC-Stromschiene 134 angeordnet, die dazu ausgebildet ist, den Phasenstrom aus dem AC-Ausgangsanschluss 116 an den zu bestromenden elektrischen Antrieb weiterzuleiten.
Zwecks Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente werden Steuersignale mit Hilfe von elektronischen Bauteilen, mit denen eine Treiberleiterplatte 132 bestückt ist, erzeugt. Die Treiberleiterplatte 132 ist oberhalb der Vergussmasse 118 angeordnet und dem Schaltermodul 100 fest zugeordnet. Mehrere Signalleitungen 136 sind dazu ausgebildet, Steueranschlüsse (etwa Gate-Anschlüsse) der Halbleiterschaltelemente mit der Treiberleiterplatte 132 zu verbinden. Ein Zwischenkreiskondensator 130, der ebenfalls dem Schaltermodul 100 fest zugeordnet ist, ist unterhalb der Vergussmasse 118 angeordnet. Der Zwischenkreiskondensator 130 ist zur Halbbrücke des Schaltermoduls 100 parallelgeschaltet.
Um die Wärme, die im Betrieb des Inverters durch die mit hohen Strömen beaufschlagten Halbleiterschaltelemente und weitere elektrische und elektronische Bauteile des Schaltermoduls 100 erzeugt wird, abzuführen, ist ein Mikrokühlkörper 120 im Schaltermodul 100 angeordnet. Der Mikrokühlkörper 120 ist Teil eines Kühlkörpers des gesamten Inverters und dem Schaltermodul 100 fest zugeordnet. Der Mikrokühlkörper 120 umfasst einen Kühlmedienzufluss 122, einen Kühlmedienabfluss und eine dazwischen verbindende Kühlkanalstruktur 124. Die Kühlkanalstruktur 124 umfasst einen senkrecht zur Hauptebene des Substrats verlaufenden Verteilerabschnitt 126 und einen Kühlkanal 128, der parallel zur Hauptebene des Substrats verläuft. Der Verteilabschnitt 126 ist in einem Randbereich des Schaltermoduls 100 angeordnet (siehe 1C). Der Kühlkanal 128 ist zwischen der Treiberleiterplatte 132 und der Vergussmasse 118 angeordnet. Ein Kühlmedium (z.B. Wasser) wird dem Kühlmedienzufluss 122 zugeführt und fließt über den Verteilerabschnitt 126 zum Kühlkanal 128. Dort befindet sich das Kühlmedium in thermischer Kopplung mit der Vergussmasse 118 und somit auch mit den strombeaufschlagten Halbleiterschaltelementen, sodass ein Wärmeaustausch stattfindet, bei dem den Halbleiterschaltelementen Wärme entzogen wird. Das hierdurch erwärmte Kühlmedium fließt zum Kühlmedienabfluss und tritt aus dem Mikrokühlkörper 120 aus.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltermodul 200 gemäß einer weiteren Ausführungsform in drei Ansichten. In 2A ist das Schaltermodul 200 in einer ersten Seitenansicht gezeigt. In 2B ist das Schaltermodul 200 in einer zweiten Seitenansicht gezeigt, die gegenüber der ersten Seitenansicht um 90 Grad gedreht ist. In 2C ist das Schaltermodul 200 in einer Draufsicht gezeigt. Das Schaltermodul 200 umfasst, ähnlich wie bei der in 1 gezeigten Ausführungsform, mehrere Komponenten, die in einer vertikalen Aufbaurichtung miteinander verbunden sind. So weist das Schaltermodul 200 eine Vergussmasse 218, die gleichermaßen wie bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ausgebildet ist. Ein DC-Eingangsanschluss mit einem positiven DC-Eingangskontakt 212 und einem negativen DC-Eingangskontakt 214 sind im Schaltermodul 200 vorgesehen und an der Vergussmasse 218 angebracht. Außerdem ist ein AC-Ausgangsanschluss 216 an der Vergussmasse 218 angebracht. Wie in 2B gezeigt, ist eine AC-Stromschiene 234 im Schaltermodul 200 angeordnet.
Eine Treiberleiterplatte 232 ist oberhalb der Vergussmasse 218 angeordnet und dem Schaltermodul 200 fest zugeordnet. Mehrere Signalleitungen 236 sind dazu ausgebildet, Steueranschlüsse (etwa Gate-Anschlüsse) der Halbleiterschaltelemente mit der Treiberleiterplatte 232 zu verbinden.
Ein Mikrokühlkörper 220 ist auch in der Ausführungsform aus 2 vorgesehen. Der Mikrokühlkörper 220 ist ebenfalls Teil des Kühlkörpers des gesamten Inverters und dem Schaltermodul 200 fest zugeordnet. Der Mikrokühlkörper 220 umfasst einen Kühlmedienzufluss 222, einen Kühlmedienabfluss und eine dazwischen verbindende Kühlkanalstruktur 224. Die Kühlkanalstruktur 224 umfasst ebenfalls einen senkrecht zur Hauptebene des Substrats verlaufenden Verteilerabschnitt 226. Im Unterschied zur in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst die Kühlkanalstruktur 224 zwei Kühlkanäle 228, die sich vom Verteilerabschnitt 226 parallel zur Hauptebene des Substrats erstrecken und vertikal voneinander beabstandet sind. Ein erster Kühlkanal 228 ist zwischen der Treiberleiterplatte 232 und der Vergussmasse 218 angeordnet. Ein zweiter Kühlkanal 228 ist zwischen der Vergussmasse 218 und dem Zwischenkreiskondensator 230 angeordnet. Ein Kühlmedium (z.B. Wasser) wird dem Kühlmedienzufluss 222 zugeführt und fließt über den Verteilerabschnitt 226 zu den Kühlkanälen 228. Dort befindet sich das Kühlmedium in thermischer Kopplung mit der Vergussmasse 218 und somit auch mit den strombeaufschlagten Halbleiterschaltelementen, sodass ein Wärmeaustausch stattfindet, bei dem den Halbleiterschaltelementen Wärme entzogen wird. Das hierdurch erwärmte Kühlmedium fließt zum Kühlmedienabfluss und tritt aus dem Mikrokühlkörper 220 aus.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltermodul 300 gemäß einer weiteren Ausführungsform in drei Ansichten. In 3A ist das Schaltermodul 300 in einer ersten Seitenansicht gezeigt. In 3B ist das Schaltermodul 300 in einer zweiten Seitenansicht gezeigt, die gegenüber der ersten Seitenansicht um 90 Grad gedreht ist. In 3C ist das Schaltermodul 300 in einer Draufsicht gezeigt. Das Schaltermodul 300 umfasst, ähnlich wie bei der in 2 gezeigten Ausführungsform, mehrere Komponenten, die in einer vertikalen Aufbaurichtung miteinander verbunden sind. So weist das Schaltermodul 300 eine Vergussmasse 318, die gleichermaßen wie bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ausgebildet ist. Ein DC-Eingangsanschluss mit einem positiven DC-Eingangskontakt 312 und einem negativen DC-Eingangskontakt 314 sind im Schaltermodul 300 vorgesehen und an der Vergussmasse 318 angebracht. Außerdem ist ein AC-Ausgangsanschluss 316 an der Vergussmasse 318 angebracht. Wie in 3B gezeigt, ist eine AC-Stromschiene 334 im Schaltermodul 300 angeordnet.
Eine Treiberleiterplatte 332 ist oberhalb der Vergussmasse 318 angeordnet und dem Schaltermodul 300 fest zugeordnet. Mehrere Signalleitungen 336 sind dazu ausgebildet, Steueranschlüsse (etwa Gate-Anschlüsse) der Halbleiterschaltelemente mit der Treiberleiterplatte 332 zu verbinden.
Ein Mikrokühlkörper 320 ist auch in der Ausführungsform aus 3 vorgesehen. Der Mikrokühlkörper 320 ist ebenfalls Teil des Kühlkörpers des gesamten Inverters und dem Schaltermodul 300 fest zugeordnet. Der Mikrokühlkörper 320 umfasst einen Kühlmedienzufluss 322, einen Kühlmedienabfluss und eine dazwischen verbindende Kühlkanalstruktur 324. Die Kühlkanalstruktur 324 umfasst zwei senkrecht zur Hauptebene des Substrats verlaufende Verteilerabschnitte 326, die horizontal voneinander beabstandet sind. Ähnlich wie bei der in 2 gezeigten Ausführungsform umfasst die Kühlkanalstruktur 324 zwei Kühlkanäle 328, die sich von den Verteilerabschnitten 326 parallel zur Hauptebene des Substrats erstrecken und vertikal voneinander beabstandet sind. Ein erster Kühlkanal 328 ist zwischen der Treiberleiterplatte 332 und der Vergussmasse 318 angeordnet. Ein zweiter Kühlkanal 328 ist zwischen der Vergussmasse 318 und dem Zwischenkreiskondensator 330 angeordnet. Ein Kühlmedium (z.B. Wasser) wird dem Kühlmedienzufluss 322 zugeführt und fließt über die Verteilerabschnitte 326 zu den Kühlkanälen 328. Dort befindet sich das Kühlmedium in thermischer Kopplung mit der Vergussmasse 318 und somit auch mit den strombeaufschlagten Halbleiterschaltelementen, sodass ein Wärmeaustausch stattfindet, bei dem den Halbleiterschaltelementen Wärme entzogen wird. Das hierdurch erwärmte Kühlmedium fließt zum Kühlmedienabfluss und tritt aus dem Mikrokühlkörper 320 aus.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltermodul 400 gemäß einer weiteren Ausführungsform in drei Ansichten. In 4A ist das Schaltermodul 400 in einer ersten Seitenansicht gezeigt. In 4B ist das Schaltermodul 400 in einer zweiten Seitenansicht gezeigt, die gegenüber der ersten Seitenansicht um 90 Grad gedreht ist. In 4C ist das Schaltermodul 400 in einer Draufsicht gezeigt. Das Schaltermodul 400 umfasst, ähnlich wie bei der in 1 gezeigten Ausführungsform, mehrere Komponenten, die in einer vertikalen Aufbaurichtung miteinander verbunden sind. So weist das Schaltermodul 400 eine Vergussmasse 418, die gleichermaßen wie bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ausgebildet ist. Ein DC-Eingangsanschluss mit einem positiven DC-Eingangskontakt 412 und einem negativen DC-Eingangskontakt 414 sind im Schaltermodul 400 vorgesehen und an der Vergussmasse 418 angebracht. Außerdem ist ein AC-Ausgangsanschluss 416 an der Vergussmasse 418 angebracht. Wie in 4B gezeigt, ist eine AC-Stromschiene 434 im Schaltermodul 400 angeordnet.
Eine Treiberleiterplatte 432 ist oberhalb der Vergussmasse 418 angeordnet und dem Schaltermodul 400 fest zugeordnet. Mehrere Signalleitungen 436 sind dazu ausgebildet, Steueranschlüsse (etwa Gate-Anschlüsse) der Halbleiterschaltelemente mit der Treiberleiterplatte 432 zu verbinden.
Ein Mikrokühlkörper 420 ist auch in der Ausführungsform aus 4 vorgesehen. Der Mikrokühlkörper 420 ist ebenfalls Teil des Kühlkörpers des gesamten Inverters und dem Schaltermodul 400 fest zugeordnet. Der Mikrokühlkörper 420 umfasst einen Kühlmedienzufluss 422, einen Kühlmedienabfluss und eine dazwischen verbindende Kühlkanalstruktur 424. Die Kühlkanalstruktur 424 umfasst ebenfalls einen senkrecht zur Hauptebene des Substrats verlaufenden Verteilerabschnitt 426 sowie einen sich vom Verteilerabschnitt 226 parallel zur Hauptebene des Substrats erstreckenden Kühlkanal 428. Im Unterschied zur in 1 gezeigten Ausführungsform ist der Kühlkanal 428 in 4 zwischen der Vergussmasse 418 und dem Zwischenkreiskondensator 430 angeordnet. Ein Kühlmedium (z.B. Wasser) wird dem Kühlmedienzufluss 422 zugeführt und fließt über den Verteilerabschnitt 426 zum Kühlkanal 428. Dort befindet sich das Kühlmedium in thermischer Kopplung mit der Vergussmasse 418 und somit auch mit den strombeaufschlagten Halbleiterschaltelementen, sodass ein Wärmeaustausch stattfindet, bei dem den Halbleiterschaltelementen Wärme entzogen wird. Das hierdurch erwärmte Kühlmedium fließt zum Kühlmedienabfluss und tritt aus dem Mikrokühlkörper 420 aus.
5A-B zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines Inverters 10, 10' gemäß einer Ausführungsform. In beiden Ausführungsformen sind jeweils mehrere, hier beispielshaft drei, Schaltermodule 400A-C gemäß der in 4 gezeigten Ausführungsform in Aneinanderreihung angeordnet. Dies ist jedoch für die vorliegende Erfindung nicht einschränkend. Im Allgemeinen können Schaltermodule aller im Rahmen dieser Erfindung gezeigten Ausführungsformen verwendet werden. Beispielsweise können mehrere Schaltermodule gemäß zwei oder noch mehr Ausführungsformen in einem Inverter verwendet werden. Jedes der Schaltermodule 400A-C ist einem von mehreren (hier beispielshaft drei) Phasenströmen des mehrphasigen Ausgangsstroms (AC-Ausgangsstroms) zugeordnet.
Eine Hauptverteilerleitung 12 ist im Inverter 10, 10' vorgesehen, die drei Verteilerausgänge 12, 14, 18 aufweist. Die Verteilerausgänge 12, 14, 18 sind jeweils an den Kühlmedienzufluss 422 der jeweiligen Schaltermodule 400A-C angeschlossen. Auf diese Weise kann das Kühlmedium von der Hauptverteilerleitung 12 in den Mikrokühlkörper 420 (siehe 4) der jeweiligen Schaltermodule 400A-C gelangen. Ein Pfeil 11 deutet den Zufluss des Kühlmediums von der Hauptverteilerleitung 12 in den jeweiligen Mikrokühlkörper 420 an. Ein weiterer Pfeil 12 deutet den Abfluss des Kühlmediums nach einem Wärmeaustausch mit den wärmeerzeugenden Bauteilen im Schaltermodul 400A-C, die mit dem Mikrokühlkörper 420 thermisch gekoppelt sind, zurück zur Hauptverteilerleitung 12 an.
Die Ausführungsformen in 5A-B unterscheiden sich in der Flussrichtung des Kühlmediums im Inverter 10, 10'. In der Ausführungsform in 5A fließt das Kühlmedium von der Hauptverteilerleitung 12 direkt in den jeweiligen Mikrokühlkörper 420 und nach dem Wärmeaustausch im jeweiligen Schaltermodul 400A-C von den Mikrokühlkörpern 420 wieder direkt zurück zur Hauptverteilerleitung 12. In der Ausführungsform in 5B fließt das Kühlmedium von der Hauptverteilerleitung 12 zuerst direkt in den Mikrokühlkörper 420 des ersten Schaltermoduls 400A. Nach dem Wärmeaustausch im ersten Schaltermodul 400A fließt das Kühlmedium vom Mikrokühlkörper 420 des ersten Schaltermoduls 400A zum Mikrokühlkörper 420 des zweiten Schaltermoduls 400B. Nach dem Wärmeaustausch im zweiten Schaltermodul 400B fließt das Kühlmedium vom Mikrokühlkörper 420 des zweiten Schaltermoduls 400B zum Mikrokühlkörper 420 des dritten Schaltermoduls 400C. Zum Schluss fließt das Kühlmedium nach dem Wärmeaustausch im dritten Schaltermodul 400C vom Mikrokühlkörper 420 des dritten Schaltermoduls 400A zur Hauptverteilerleitung 12 zurück.
Auf diese Weise sind mehrere Mikrokühlkörper 120, 220, 320, 420, die jeweils einem von mehreren Schaltermodulen 100, 200, 300, 400 des Inverters zugeordnet sind, an ihrem jeweiligen Kühlmedienzufluss 122, 222, 322, 422 und/oder Kühlmedienabfluss miteinander fluidverbindend lösbar verbindbar. Dies bedeutet, dass beim Anordnen der mehreren Schaltermodule 100, 200, 300, 400 die verschiedenen Mikrokühlkörper 120, 220, 320, 420 an den Kühlmedienzuflüssen 122, 222, 322, 422 bzw. an den Kühlmedienabflüssen miteinander kombiniert werden können. Dieses Kombinieren kann rückgängig gemacht werden, wenn die Schaltermodule 100, 200, 300, 400 anders angeordnet werden soll. Diese Maßnahme ist hinsichtlich hoher Skalierbarkeit und zugleich effektiver Wärmeabfuhr des Inverters besonders vorteilhaft, da mehrere Schaltermodule 100, 200, 300, 400 auf flexible Weise miteinander kombinierbar sind und gleichzeitig unabhängig von der Anzahl und Anordnung das Schaltermodule 100, 200, 300, 400 aufgrund der in jedem Schaltermodul 100, 200, 300, 400 verbauten Mikrokühlkörper 120, 220, 320, 420 eine wirksame Abkühlung der Halbleiterschaltelemente erzielbar ist.
6A-C zeigen jeweils eine Anordnungsweise der Schaltermodule 200A-C in einem Inverter 10'', 10''', 10''''. In 6A und 6B ist der Inverter 10'', 10''' in einer Draufsicht gezeigt, wobei in 6C der Inverter 10'''' in einer Seitenansicht gezeigt ist. In allen Ausführungsformen sind die Schaltermodule 200A-C jeweils in drei Gruppen angeordnet, wobei jede Gruppe einem von mehreren Phasenströmen des AC-Ausgangsstroms zugeordnet ist. In jeder Gruppe sind zwei Schaltermodule 200A-C angeordnet, wobei die positiven DC-Eingangskontakte 212 beider Schaltermodule 200A-C miteinander elektrisch verbunden sind, wobei die negativen DC-Eingangskontakte 214 beider Schaltermodule 200A-C miteinander elektrisch verbunden sind. Zusätzlich sind die AC-Ausgangsanschlüsse 234 beider Schaltermodule 200A-C miteinander elektrisch verbunden. Bei der Ausführungsform in 6A sind benachbarte Gruppen jeweils bzgl. ihrer Längsrichtung um 90 Grad zueinander gedreht angeordnet. Bei der Ausführungsform in 6B sind alle drei Gruppen in Aneinanderreihung angeordnet. Bei der Ausführungsform in 6C sind benachbarte Gruppen jeweils bzgl. einer vertikalen Richtung um einen Winkel zueinander gedreht.
Bezugszeichenliste

10, 10', 10'', 10''', 10'''': Inverter
11, 13: Pfeile zum Andeuten einer Flussrichtung des Kühlmediums
12: Hauptverteilerleitung
14, 16, 18: Verteilerausgänge
100, 200, 300, 400: Schaltermodule
112, 212, 312, 412: positive DC-Eingangskontakte
114, 214, 314, 414: negative DC-Eingangskontakte
116, 216, 316, 416: AC-Ausgangsanschluss
118, 218, 318, 418: Vergussmasse
120, 220, 320, 420: Mikrokühlkörper
122, 222, 322, 422: Kühlmedienzufluss
124, 224, 324, 424: Kühlkanalstruktur
126, 226, 326, 426: Verteilerabschnitt
128, 228, 328, 428: Kühlkanal
130, 230, 330, 430: Zwischenkreiskondensator
132, 232, 332, 432: Treiberleiterplatte
136,236,336,436: Signalleitung

Claims

Schaltermodul (100, 200, 300, 400) für einen Inverter (10, 10', 10", 10"', 10"") zum Bestromen eines elektrischen Antriebs in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, umfassend: - eine Highside-Schalteinrichtung und eine Lowside-Schalteinrichtung, die jeweils mindestens ein Halbleiterschaltelement aufweisen, wobei die Halbleiterschaltelemente auf einem flachen Substrat angebracht sind; - einen DC-Eingangsanschluss mit einem positiven DC-Eingangskontakt (112, 212, 312, 412) und einem negativen DC-Eingangskontakt (114, 214, 314, 414), wobei der DC-Eingangsanschluss dazu ausgebildet ist, einen von einer DC-Spannungsquelle bereitgestellten DC-Eingangsstrom in die Highside-Schalteinrichtung und die Lowside-Schalteinrichtung einzuspeisen; - einen AC-Ausgangsanschluss (116, 216, 316, 416) zur Abgabe eines AC-Phasenstroms eines mehrphasigen AC-Ausgangsstroms, der mittels Ansteuerns der Highside-Schalteinrichtung und der Lowside-Schalteinrichtung basierend auf dem DC-Eingangsstrom erzeugt ist; - einen Mikrokühlkörper (120, 220, 320, 420) mit einem Kühlmedienzufluss (122, 222, 322, 422), einem Kühlmedienabfluss und einer zwischen dem Kühlmedienzufluss (122, 222, 322, 422) und dem Kühlmedienabfluss verbindenden Kühlkanalstruktur (124, 224, 324, 424); wobei der Mikrokühlkörper (120, 220, 320, 420) derart ausgebildet ist, dass mehrere Mikrokühlkörper (120, 220, 320, 420), die jeweils einem von mehreren Schaltermodulen (100, 200, 300, 400) des Inverters zugeordnet sind, an ihrem jeweiligen Kühlmedienzufluss (122, 222, 322, 422) und/oder Kühlmedienabfluss miteinander fluidverbindend lösbar verbindbar sind.
Schaltermodul (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 1, wobei der die Kühlkanalstruktur (124, 224, 324, 424) einen zu einer Hauptebene des Schaltermoduls (100, 200, 300, 400), die durch das flache Substrat definiert ist, senkrecht verlaufenden Verteilerabschnitt (126, 226, 326, 426) aufweist.
Schaltermodul (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kühlkanalstruktur (124, 224, 324, 424) einen oder mehrere Kühlkanäle (128, 228, 328, 428) aufweist, die parallel zur Hauptebene des Schaltermoduls (100, 200, 300, 400), die durch das flache Substrat definiert ist, verlaufen.
Schaltermodul (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Schaltermodul (100, 200, 300, 400) einen diesem fest zugeordneten, separaten Zwischenkreiskondensator (130, 230, 330, 430) aufweist.
Schaltermodul (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 4, wobei mehrere AC-Zwischenkreiskondensatoren (130, 230, 330, 430), die jeweils einem von mehreren Schaltermodulen (100, 200, 300, 400) des Inverters zugeordnet sind, miteinander elektrisch verbindbar sind.
Schaltermodul (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 4 oder 5, wobei sich die Kühlkanalstruktur (124, 224, 324, 424) unmittelbar am Zwischenkreiskondensator (130, 230, 330, 430), insbesondere zwischen dem Substrat und dem Zwischenkreiskondensator (130, 230, 330, 430), erstreckt.
Schaltermodul (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Schaltermodul (100, 200, 300, 400) eine diesem fest zugeordnete, separate Treiberleiterplatte (132, 232, 332, 432) aufweist.
Schaltermodul (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 7, wobei sich die Kühlkanalstruktur (124, 224, 324, 424) unmittelbar an der Treiberleiterplatte (132, 232, 332, 432), insbesondere zwischen dem Substrat und der Treiberleiterplatte (132, 232, 332, 432), erstreckt.
Schaltermodul (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 7 oder 8, wobei sich ein Verteilerabschnitt (126, 226, 326, 426) der Kühlkanalstruktur (124, 224, 324, 424) in einem Randbereich der Treiberleiterplatte (132, 232, 332, 432) senkrecht zu einer Hauptebene des Schaltermoduls (100, 200, 300, 400), die durch das flache Substrat definiert ist, erstreckt.
Schaltermodul (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 9, wobei sich im Schaltermodul (100, 200, 300, 400) mehrere Kühlebenen der Kühlkanalstruktur (124, 224, 324, 424) vorzugsweise vom Verteilerabschnitt (126, 226, 326, 426) parallel zur Hauptebene erstrecken.
Schaltermodul (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Schaltermodul (100, 200, 300, 400) eine AC-Stromschiene (134, 234, 334, 434) zum Weiterleiten des AC-Phasenstroms an den elektrischen Antrieb des Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs aufweist, wobei mehrere AC-Stromschienen (134, 234, 334, 434), die jeweils einem von mehreren Schaltermodulen (100, 200, 300, 400) des Inverters und dem gleichen AC-Phasenstrom des AC-Ausgangsstroms zugeordnet sind, miteinander elektrisch verbindbar oder einteilig ausgebildet sind.
Schaltermodul (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 11, wobei sich die Kühlkanalstruktur (124, 224, 324, 424) unmittelbar an der AC-Stromschiene (134, 234, 334, 434) erstreckt.
Inverter (10, 10', 10'', 10''', 10'''') zum Bestromen eines elektrischen Antriebs in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, mit einer Mehrzahl von Schaltermodulen (100, 200, 300, 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Inverter (10, 10', 10'', 10''', 10'''') nach Anspruch 13, wobei die Schaltermodule (100, 200, 300, 400) bezüglich ihrer jeweiligen Hauptebene, die durch das flache Substrat definiert ist, zueinander senkrecht, parallel oder gewinkelt angeordnet sind.
Fahrzeug mit einem Inverter (10, 10', 10'', 10''', 10'''') nach einem der Ansprüche 13 und 14.