DE102023205407A1

DE102023205407A1 - Basisplatte und Einzelphasenmodul eines Inverters, Inverter und Leistungselektronik

Info

Publication number: DE102023205407A1
Application number: DE102023205407.8A
Authority: DE
Inventors: Cornelius Weis
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2023-06-12
Filing date: 2023-06-12
Publication date: 2024-12-12

Abstract

Bereitgestellt wird ein Einzelphasenmodul eines Inverters eines Elektroantriebs eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, aufweisend eine Basisplatte, mindestens eine an der Basisplatte angeordnete und direkt darauf befestigte, zwei Halbleiterpackages aufweisende Halbbrücke, auf der oder den Halbbrücken und mit den zugehörigen Stromanschlüssen elektrisch kontaktierte und gestapelt angeordnete Stromschienen, aufweisend eine DC-Plus-Stromschiene, eine DC-Minus-Stromschiene und eine AC-Stromschiene, wobei die oberste DC-Stromschiene vollflächig über die Geometrie der Basisplatte verläuft, und wobei die DC-Plus-Stromschiene und die DC-Minus-Stromschiene jeweils eine elektrisch nicht leitende Ummantelung aufweisen, und wobei die AC-Stromschiene als oberste Stromschiene angeordnet und derart gebildet ist, dass sie an einem Bereich davon eine Verengung aufweist, eine Leiterplatte, die zumindest teilweise oberhalb der AC-Stromschiene angeordnet und daran befestigt ist, einen Stromsensor, der oberhalb der Verengung der AC-Stromschiene auf der Leiterplatte befestigt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Elektronikmodule für einen Elektroantrieb.
Die Verwendung von Elektronikmodulen, etwa Leistungselektronikmodulen, bei Kraftfahrzeugen hat in den vergangenen Jahrzehnten stark zugenommen. Dies ist einerseits auf die Notwendigkeit, die Kraftstoffeinsparung und die Fahrzeugleistung zu verbessern, und andererseits auf die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zurückzuführen. Hauptbestandteil eines solchen Elektronikmoduls, das auch als Leistungselektronik bezeichnet wird, sind eine elektronische Steuereinheit, auch als ECU (electronic control unit) bezeichnet, die mit dem oder den Fahrzeugsteuergeräten in Verbindung steht oder Teil davon ist, und Steuersignale und/oder Informationen basierend auf z.B. dem Fahrverhalten oder Signalen anderer Steuergeräte erhält, sowie ein DC/AC-Wechselrichter (Inverter), der dazu dient, elektrische Maschinen wie Elektromotoren oder Generatoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom (AC) zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie oder einem Akkumulator, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Zu diesem Zweck umfassen die Inverter eine Vielzahl von Elektronikbauteilen, mit denen Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) realisiert werden, beispielsweise Halbleiterleistungsschalter, die auch als Leistungshalbleiter bezeichnet werden. Zusätzlich kann noch ein DC/DC-Wandler in der Leistungselektronik vorhanden sein.
Bekannte Elektronikmodule sind zwar insoweit modular, dass Brückenschaltungen ergänzt werden können, um die Leistung zu steigern, oder dass Brückenschaltungen weggelassen werden können. Aber es ist immer noch Bedarf an einer Optimierung in verschiedensten Bereichen, z.B. an Einsparung von Bauraum, Verbesserung der Messgenauigkeit und Vibrationsfestigkeit, oder einem einfacheren Zusammenbau.
Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Elektronikmodul bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung und anhand der Figuren, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.

1 zeigt mehrere nebeneinander angeordnete Basisplatten gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt einen Ausschnitt A aus 1.
3 zeigt einen Teil eines Einzelphasenmoduls mit Positionierstiften gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt einen Schnitt eines Teils eines Einzelphasenmoduls mit Positionierstiften gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt einen Schnitt eines Teils eines Einzelphasenmoduls mit einem Temperatursensor gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt eine schräge Draufsicht auf ein Einzelphasenmodul mit einem Stromsensor gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt einen Schnitt eines Teils eines Einzelphasenmoduls mit einem Stromsensor gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt eine schräge Draufsicht auf ein Einzelphasenmodul mit einem Isolations-Einlegeteil und einem Niederhalter gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt eine schräge Draufsicht auf ein Einzelphasenmodul mit angedeuteter Einlegeplatine gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt eine schräge Draufsicht auf ein Einzelphasenmodul mit Einlegeplatine gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.

In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Wie bereits eingangs erwähnt, ist ein Ziel der Erfindung, ein verbessertes Elektronikmodul bereitzustellen.
Aktuell bekannte Elektronikmodule, welche im Bereich der Elektromobilität verwendet werden, sind als Dreiphasenmodule aufgebaut. Das heißt, dass sie eine einzelne, für alle drei Phasen gemeinsame Basisplatte 2 aufweisen, auf der Halbleiterpackages 4 angeordnet sind.
Die Basisplatte 2 dient als Trägerplatte und ist aus einem ausreichend stabilen Material mit einer guten thermischen Leitfähigkeit wie z.B. Kupfer gebildet, so dass eine ausreichende Entwärmung und Fixierung der Halbeleiterpackages 4, z.B. mittels Sintern, gegeben ist. Sie ist also nicht als Leiterplatte gebildet und weist keine stromführenden oder signalführenden Leitungen auf. Sie kann aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet sein und somit auch Massepotential GND bereitstellen. Sie kann aber auch aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material bestehen, wobei das Massepotential GND dann auch durch eine Schraube bereitgestellt werden kann.
Die Halbleiterpackages 4 sind in der Regel einander gegenüberliegend angeordnet, so dass jeweils zwei davon eine Halbbrücke bilden, wobei ein Halbleiterpackage 4 als Highsideschalter und das andere als Lowsideschalter dient, von denen jeder zueinander parallel geschaltete Leistungshalbleiter, z.B. MOSFETs, IGBTs etc., aufweist. Es können aber auch Highsideschalter und Lowsideschalter in einem Halbleiterpackage 4 vorgesehen sein. Pro Phase können eine oder mehrere Halbbrücken vorgesehen sein. Oberhalb der Halbbrücken sind DC- und AC-Stromschienen 5-7 angeordnet und mit zugehörigen Stromanschlüssen der Halbbrücken elektrisch kontaktiert. Die Kommutierungszelle ist aktuell nur bei einer bestimmten Topologie, also Anzahl an Halbbrücken und Anordnung der Stromschienen, optimal. Wenn nun z.B. mehr oder weniger Halbbrücken benötigt werden, um die gewünschte Leistung einzustellen, werden diese in dem Einzelphasenmodul 1 hinzugefügt oder weggelassen, indem dessen Topologie (geometrische und elektrische Anordnung) auf jeweils nur ein bestimmtes Design, also bestimmte Halbleiterpackages 4 und darauf optimiert angeordnete Stromschienen 5-7, abgestimmt ist. Wenn sich die Art oder Anzahl der Halbleiterpackages 4 ändert, kann die Geometrie der Basisplatte 2, insbesondere deren Ausdehnung in x- und y-Richtung, und die Anordnung der Stromschienen 5-7 auf die verwendeten Halbleiterpackages 4 angepasst werden, um die Kommutierungszelle zu optimieren. Als Halbleiterpackage 4 wird ein ummantelter Leistungshalbleiter(chip) inklusive (nicht ummantelten) Anschlussbeinen zur elektrischen bzw. Signal-Kontaktierung bezeichnet.
Bei dem vorgeschlagenen Einzelphasenmodul 1 ist eine Basisplatte 2 vorgesehen, sowie mindestens zwei einander gegenüberliegende Halbleiterpackages 4, die eine Halbbrücke bilden. Jeweils eines der Halbleiterpackages 4 ist als ein Highsideschalter und das andere als ein Lowsideschalter gebildet. Alternativ kann auch ein Halbleiterpackage 4 mit darin angeordnetem Highsideschalter und Lowsideschalter vorgesehen sein.
In der in 1 gezeigten Ausführung der Basisplatte 2 können auf jeder Basisplatte 2 drei Halbbrücken, also zwei mal drei Halbleiterpackages 4 angeordnet, z.B. darauf gesintert, werden.
In allen nachfolgend beschriebenen Ausführungen sind die Halbleiterpackages 4 einander gegenüberliegend mit einem mittigen AC-Abgriff angeordnet. Außerdem ist die DC-Minus-Stromschiene 6 zwischen der (auf Seite der Basisplatte 2 angeordneten) DC-Plus-Stromschiene 5 und der AC-Stromschiene 7 vollflächig über alle Halbbrücken geführt und der DC-Minus- und der DC-Plus-Abgriff stehen auf derselben Seite des Einzelphasenmoduls 1 heraus, während der AC-Abgriff auf der anderen Seite des Einzelphasenmoduls 1 heraussteht, wie z.B. in 3, und 8-10 zu sehen. Die beschriebene Reihenfolge entspricht einer bevorzugten Ausführung, kann aber auch anders gestaltet sein, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
Wie bereits erwähnt, dient die Basisplatte 2 als Trägerplatte, um ein Einzelphasenmodul 1 aufzubauen und dieses in dem Gehäuse 12 des Inverters zu befestigen. Sie ist in der Regel aus Metall, und die Halbleiterpackages 4 werden auf die Aufnahmebereiche 22 gesintert. Darauf werden dann Stromschienen 5-7 und andere Komponenten aufgebracht, um letztendlich das Einzelphasenmodul 1 zu bilden.
Die Geometrie (Länge und Breite) jeder Basisplatte 2 eines Einzelphasenmoduls 1 kann, wie bereits erwähnt, auf die Anzahl der Halbleiterpackages 4 angepasst werden. Sie ist also sozusagen stets optimal klein, d.h. sie ist nicht größer als nötig, um die Halbleiterpackages 4 aufzunehmen. Das Einzelphasenmodul 1 ist also skalierbar, indem die Größe der Basisplatte 2 der Anzahl der Halbleiterpackages 4 angepasst wird. Besonders vorteilhaft sind drei, vier oder sechs Halbbrücken, also sechs, acht oder zwölf Halbleiterpackages 4, vorgesehen. Durch die Möglichkeit, die Geometrie der Basisplatte 2 anzupassen, können Halbleiterpackages 4 unterschiedlicher Hersteller verwendet werden, was die Verfügbarkeit erhöht. Eine Stromskalierung ist ebenso darstellbar wie die Verwendung unterschiedlicher Halbleiterpackages 4 für unterschiedliche Einzelphasenmodule 1, da die Geometrie auf die Größe und die Art der verwendeten Chips (Leistungshalbleiter) angepasst werden kann. Bisher wird lediglich über die Anzahl der Chips skaliert, die Größe der Basisplatte 2 und die benötigte Fläche der Stromschienen 5-7 bleiben unverändert.
Dadurch, dass für jede Ausführung des Einzelphasenmoduls 1 eine eigene Geometrie bereitgestellt wird, wird die Modularität gesteigert. So können mehrere Einzelphasenmodule 1 zu einem Mehrphasenmodul, insbesondere einem Dreiphasenmodul, zusammengeschaltet werden. Im Falle eines Zusammenschaltens mehrerer Einzelphasenmodule 1 zu einem Mehrphasenmodul ist es ein Ziel, die Einzelphasenmodule 1 möglichst nahe aneinander anzuordnen, um Bauraum zu sparen und einen generischen Gleichteilansatz darzustellen.
Um dies zu erreichen, wird vorgeschlagen, die Basisplatte 2 in ihrer Form zu optimieren, wie in 1 und 2 gezeigt. In 1 ist zu erkennen, dass jede der Basisplatten 2 dieselbe Außenkontur aufweist. 2 zeigt einen Bereich zweier benachbarter Basisplatten 2 als vergrößerten Ausschnitt A aus 1. Grundsätzlich ist es ein Ziel, dass die Basisplatten 2 möglichst wenig Bauraum verbrauchen, ohne dabei die elektrischen Eigenschaften der damit gebildeten Einzelphasenmodule 1 zu beeinträchtigen.
Zur Bereitstellung eines Mehrphasenmoduls werden mehrere Basisplatten 2 mit zwei einander über die Fläche der Basisplatte 2 (in x-Richtung) gegenüberliegenden Verbindungsseiten S1, S2 jeweils (in x-Richtung) nebeneinander angeordnet. Dabei ist eine Verbindungsseite S1 der einen Basisplatte 2 zu einer Verbindungsseite S2 der anderen Basisplatte 2 benachbart angeordnet.
In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind drei Basisplatten 2 vorgesehen, wobei die mittlere Basisplatte 2 an beiden Verbindungsseiten S1 und S2 eine benachbarte Basisplatte 2 hat. An den Verbindungsseiten S1 und S2 (möglichst weit außen) sind jeweils ein oder mehrere Löcher vorgesehen, welche als Positionierungslöcher 20 oder als Befestigungslöcher 21 dienen. Vorteilhaft sind auf einer Basisplatte 2 vier Positionierungslöcher 20 und vier Befestigungslöcher 21 vorgesehen. Die Positionierungslöcher 20 jeder Basisplatte 2 liegen dabei vorteilhaft im Wesentlichen auf derselben gedachten Linie (in y-Richtung), wobei die Anordnung abhängig vom nachfolgenden Aufbau des Einzelphasenmoduls 1 abhängt. Ferner sind Positionierungslöcher 20 und Befestigungslöcher 21 entlang der zugehörigen Verbindungsseite S1, S2 (in y-Richtung) vorteilhaft abwechselnd zueinander angeordnet. Somit kann auch Bauraum gespart werden.
Um Basisplatten 2 möglichst nahe aneinander platzieren zu können, weist jede Basisplatte 2 auf einer Verbindungsseite S1 und S2 eine spezielle Kontur auf, wie im vergrößerten Ausschnitt A in 2 gut zu erkennen und in 1 und 2 hervorgehoben. Die Kontur jeder Verbindungsseite S1 und S2 ist dabei jeweils so gewählt, dass die Kontur der Verbindungsseite S1 in die Kontur der Verbindungsseite S2 passt, wenn mehrere Basisplatten 2 nebeneinander angeordnet werden.
Im Detail sind die Konturen der Verbindungsseiten S1 und S2 gegeneinander derart versetzt (im Wesentlichen wellenförmig) gebildet, dass abwechselnd ein Bereich weiter nach außerhalb der Basisplatte 2 (in x-Richtung) ragt (nachfolgend auch als Ausbuchtung bezeichnet), der von einem Bereich gefolgt ist, der in Richtung Inneres der Basisplatte 2 (in x-Richtung) versetzt ist, so dass er als eine Ausnehmung zur Aufnahme des Bereichs der benachbarten Basisplatte 2 gebildet ist, um deren weiter nach außerhalb reichenden Bereich (die Ausbuchtung) aufzunehmen.
Wie in 2 zu erkennen, ist an der linken Verbindungsseite (hier S1) der rechten Basisplatte 2 (mittlere Basisplatte 2 in 1) an einer unteren Ecke davon ein Befestigungsloch 21 (als Ausbuchtung) vorgesehen, gefolgt von einer Ausnehmung (in Richtung Inneres der Basisplatte 2), der ein nach außen (in x-Richtung) weisender Bereich mit einem Positionierungsloch 20 folgt. In einem Abstand (in y-Richtung) dazu folgt wieder ein Befestigungsloch 21, direkt gefolgt von einem Positionierungsloch 20, so dass diese ein Paar bilden. Beide Löcher 20, 21 sind wie das untere Positionierungsloch 20 ebenfalls in einem nach außen weisenden Bereich vorgesehen, der im Wesentlichen gleich dem für das untere Positionierungsloch 20 ist. Die obere Ecke dieser linken Verbindungsseite (hier S1) weist wiederum eine geringe Ausbuchtung auf, um das Positionierungsloch 20 der rechten Verbindungsseite (hier S2) der benachbarten Basisplatte 2 aufnehmen zu können.
Beide Positionierungslöcher 20 der Verbindungsseite S1 sind in einem Bereich vorgesehen, bei dem an der benachbarten Basisplatte 2 die Aufnahmebereiche 22 für die Halbleiterpackages 4 vorgesehen sind. Somit ist die maximale Ausdehnung der Ausnehmung in Richtung der Halbleiterpackages 4 (negative x-Richtung) auf der Verbindungsseite S2 vorgegeben bzw. begrenzt.
Die rechte Verbindungsseite (hier S2) der benachbarten Basisplatte 2 ist komplementär zu der gerade beschriebenen linken Verbindungsseite (hier S1) gebildet, d.h. dort, wo bei der linken Verbindungsseite (hier S1) eine Ausnehmung in Richtung Inneres der Basisplatte 2 ist, ist auf der rechten Verbindungsseite (hier S2) eine Ausbuchtung, also ein Bereich, der nach außen weist. Die Kontur der Ausbuchtung ist derart geformt, dass sie sich in die Ausnehmung möglichst optimal einpasst, um möglichst nahe an der benachbarten Basisplatte 2 angeordnet zu werden.
An Bereichen, bei denen an der linken Verbindungsseite (hier S1) ein Bereich nach außerhalb weist, weist die rechte Verbindungsseite (hier S2) eine entsprechende Ausbuchtung auf. Die rechte Verbindungsseite (hier S2) weist dabei an ihrer oberen Ecke ein Positionierungsloch 20 auf, das nach außerhalb weist. In einem Abstand (in y-Richtung) dazu ist ein ebenfalls nach außerhalb weisendes Befestigungsloch 21 vorgesehen. Dazwischen weist die Kontur eine Ausnehmung in Richtung Inneres der Basisplatte 2 (x-Richtung) auf, um die als Paar angeordnete Positionierungs- und Befestigungslöcher 20, 21 der linken Verbindungsseite (hier S1) aufzunehmen. In einem Abstand an das Befestigungsloch 21 ist wiederum ein Positionierungsloch 20 vorgesehen. Dazwischen ist eine Ausnehmung in Richtung Inneres der Basisplatte 2 vorgesehen, um das Positionierungsloch 20 der rechten Verbindungsseite (hier S2) aufzunehmen. Direkt anschließend an das Positionierungsloch 20 der rechten Verbindungsseite (hier S2) ist wiederum ein Befestigungsloch 21, das zwar nach unten weist, aber dennoch eine leichte Ausbuchtung aufweist, vorgesehen, das damit auch die untere Ecke der linken Verbindungsseite bildet.
Wie in 2 oben zu sehen, bilden in einer vorteilhaften Ausgestaltung jeweils ein Positionierungsloch 20 und ein Befestigungsloch 21 auf jeder der Verbindungsseiten S1, S2 ein Paar, deren Löcher nahe aneinander liegen. In einer Ausführung ist das Paar von einer Ecke der Verbindungsseite S2 beabstandet angeordnet. Auf der anderen Verbindungsseite S1 ist durch die komplementäre Kontur deshalb ein größerer Abstand zwischen zwei benachbarten Positionierungslöchern 20 und Befestigungslöchern 21 gebildet, um das Paar aufzunehmen.
Wie in 2 unten zu sehen, ist auf der rechten Verbindungsseite (hier S2) zwar auch ein Paar aus einem Positionierungsloch 20 und einem Befestigungsloch 21 gebildet, aber da das Paar am äußersten Ende (der Ecke) angeordnet ist, ist die komplementäre Kontur der linken Verbindungsseite S1 so gebildet, dass lediglich das Positionierungsloch 20 in die Ausbuchtung zwischen Positionierungsloch 20 und Befestigungsloch 21 passt.
Durch die aneinander angepassten Konturen der nebeneinander angeordneten Verbindungsseiten S1, S2 zweier benachbarter Basisplatten 2 wird ein möglichst geringer Abstand zu der benachbarten Basisplatte 2 erreicht, wenn mehrere Basisplatten 2 nebeneinander angeordnet werden. Damit kann Bauraum eingespart werden.
Die Platzierung der Positionierungslöcher 20 und Befestigungslöcher 21 zueinander ist der Steifheit der Basisplatte 2 geschuldet. Idealerweise wären die Positionierungslöcher 20 und Befestigungslöcher 21 jeweils möglichst weit außen und möglichst weit von anderen Positionierungslöchern 20 und Befestigungslöchern 21 entfernt angeordnet, um eine möglichst große Fläche aufzuspannen, um damit eine möglichst genaue Positionierung der auf der Basisplatte 2 zu befestigenden Komponenten zu erreichen. Außerdem wäre es ideal, wenn die Positionierungslöcher 20 und Befestigungslöcher 21 möglichst nahe beieinander angeordnet wären. Als Ergebnis wurde ein Kompromiss gefunden, der sowohl die Kontur bereitstellt, um mehrere Basisplatten 2 benachbart anzuordnen, um möglichst geringen Bauraum zu benötigen, als auch die Notwendigkeit der Platzierung der Positionierungslöcher 20 und Befestigungslöcher 21 berücksichtigt, um die benötigte Positionsgenauigkeit und Steifheit bereitzustellen.
Wie bereits erwähnt, weist die Basisplatte 2 mehrere Positionierungslöcher 20 an Randbereichen ihrer Verbindungsseiten S1, S2 auf. Zusätzlich sind in die Positionierungslöcher 20 einbringbare Positionierstifte 3 vorgesehen. Diese dienen dazu, auf der Basisplatte 2 zu positionierende Komponenten wie DC-Stromschienen 5 und 6 (auch als Busbars bezeichnet) inkl. Ummantelung 50, 60, sowie weitere Komponenten wie z.B. ein Isolations-Einlegeteil 8 und einen darauf angeordneten Niederhalter 9 bei Montage an der Basisplatte 2 möglichst exakt zu positionieren, wie z.B. in 3 und 8-10 zu sehen.
Die auf und an der Basisplatte 2 zu positionierenden Komponenten 5, 6, 8, 9 weisen vorteilhaft zu den Positionierungslöchern 20 (geometrisch) korrespondierende Positionierlöcher 51, 61, 81, 91 auf, so dass ein Positionierstift 3 durch alle Löcher 20, 51, 61, 81, 91 hindurchgesteckt werden kann, um diese miteinander zu verbinden. Die Anzahl an Positionierlöchern 51, 61, 81, 91 je Komponente 5, 6, 8, 9 kann unterschiedlich sein. Auch kann nicht jede der Komponenten 5, 6, 8, 9 genauso viele Positionierlöcher 51, 61, 81, 91 wie es Positionierungslöcher 20 gibt, aufweisen, wobei dies von der Geometrie der Komponente 5, 6, 8, 9 abhängt. Beispielsweise weist die DC-Plus-Stromschiene 5 lediglich zwei Positionierlöcher 51 auf.
Die Länge der Positionierstifte 3 ist dabei derart gewählt, dass sie mindestens der gesamten Dicke (y-Richtung) des Einzelphasenmoduls 1 mit allen darauf und daran zu positionierenden Komponenten 5, 6, 8, 9 entspricht (also der Summe der Dicken in y-Richtung der Komponenten 5, 6, 8, 9), wie in 3 und 4 zu sehen. Diese Länge ist als L1 in 4 eingezeichnet. Vorteilhaft ist die Länge noch etwas länger, um oberhalb der obersten Komponente ein Befestigungselement 11 als Endbefestigung anzubringen, wie in 8 und 9 gezeigt.
In einer Ausführung ist vorgesehen, dass die Länge der Positionierstifte 3 so gewählt ist, dass diese auch nach unterhalb der Basisplatte 2 reichen und dort in eine Positionierstruktur 121 des Gehäuses 12 eingreifen, in welchem die Basisplatte 2 (genauer das fertige Einzelphasenmodul 1) letztendlich angeordnet ist. Die Länge unterhalb der Basisplatte 2 ist als L2 in 4 eingezeichnet.
Die Gesamtlänge L eines Positionierstifts 3 ist die Summe der beiden Längen L1 und L2, oder nur L1 (wenn der Positionierstift 3 nicht durch die Basisplatte 2 hindurchgeht).
Die Positionierstifte 3 sind vorteilhaft aus einem harten Metall gebildet und werden in die Positionierlöcher 51, 61, 81, 91 und die Positionierungslöcher 20 z.B. durch Einpressen eingebracht. Somit wird sichergestellt, dass eine möglichst kleine Toleranz (ein möglichst kleines Spiel) zwischen den Komponenten 5, 6, 8, 9 herrscht und diese damit exakt positioniert werden können.
Um eine elektrische Isolierung bereitzustellen, sind die Positionierlöcher 51, 61, 81, 91 in ihrem Inneren mit einem elektrisch nicht leitenden Material wie Kunststoff (Mold) ummantelt. Diese Schutzschicht kann Teil der Ummantelung 50, 60 der DC-Stromschienen 5, 6 sein, wie in 4 angedeutet.
Die vorgeschlagenen Positionierstifte 3 dienen für alle an der Basisplatte 2 auszurichtenden Einzelkomponenten des Einzelphasenmoduls 1 als gemeinsame Positionierhilfe. Somit werden die Einzelkomponenten miteinander in Bezug gebracht und können somit bei der Montage exakt aneinander ausgerichtet werden. Dies ist insbesondere wichtig, da Sensoren wie z.B. Stromsensoren 14 (insbesondere Hall-Sensoren) und Temperatursensoren 13 im Einzelphasenmodul 1 zur Anwendung kommen, bei denen eine möglichst genaue Positionierung erfolgen sollte, um (möglichst) keine Beeinträchtigung oder Beeinflussung der Messgenauigkeit zu erzeugen.
Wie bereits erwähnt, sind Sensoren unterschiedlichster Art in einem beschriebenen Einzelphasenmodul 1 vorgesehen. Aktuell ist das gesamte Sensorsystem als ein separates Modul vorgesehen, das auf der AC-Stromschiene 7 angeordnet und mit einer Leiterplatte des Einzelphasenmoduls 1 über Leitungen verbunden ist. Problematisch ist hier, dass zwei miteinander zu verbindende Subsysteme vorhanden sind, die entsprechend zu kontaktieren und zu montieren sind, was aufwändig sein kann.
Auch gibt es bereits Ansätze, das Sensorsystem direkt auf einer Platine oberhalb des Einzelphasenmoduls 1 anzuordnen. Hier ist allerdings das Problem, die sehr große AC-Stromschiene 7 mit einer Ummantelung zu umgeben, die aber gleichzeitig in dem Bereich der Sensoren dünn genug ist. Auch ist aktuell die Positioniergenauigkeit der Sensoren, insbesondere von Stromsensoren (Hall-Sensoren), mit hohen Toleranzen behaftet. Durch die dynamischen Toleranzen aufgrund Temperaturschwankungen und Vibrationen ändert sich der Luftspalt, was zu einem Problem für die Messgenauigkeit der Sensoren werden kann.
Das Problem der Positioniergenauigkeit und dessen Lösung wurde bereits in Zusammenhang mit den Positionierstiften 3 beschrieben und wird deshalb nicht mehr wiederholt. Durch die vorgeschlagenen Positionierstifte 3 in Kombination mit den Positionierungslöchern 20 und den Positionierlöchern 51, 61, 81, 91 ist eine deutlich verbesserte Positionierung der Sensoren möglich. Dies gilt insbesondere für die nachfolgend beschriebene Integration der Sensoren in das Einzelphasenmodul 1. Es wird also vorgeschlagen, das Sensorsystem oder Teile davon in das Einzelphasenmodul 1 zu integrieren.
Um die Signalwege und Messwege zu verkürzen und zu verbessern, wird vorgeschlagen, die bisher an oberster Stelle des Einzelphasenmoduls 1 vorgesehene Leiterplatte in das Einzelphasenmodul 1 zu integrieren. Es wird also eine als Einlegeplatine gebildete Leiterplatte 10 vorgeschlagen, die dazu dient, Sensorsignale zu sammeln und innerhalb des Einzelphasenmoduls 1 zu übertragen. Hierfür ist sie z.B. als einlagige, zweilagige oder mehrlagige Leiterplatte 10 gebildet, z.B. als FR4-Leiterplatte.
Vorteilhaft werden die Sensorsignale an einen Übergabebereich für Sensorsignale übertragen, um diese nach außerhalb des Einzelphasenmoduls 1 zu übergeben. Dieser Übergabebereich kann z.B. als Signalpins 15 gebildet sein, wie in 8-10 angedeutet.
Die Leiterplatte 10 ist auf der obersten Ummantelung, hier der Ummantelung 60 der DC-Minus-Stromschiene, angeordnet. Sie kann, je nach Ausführung, auch bis zur AC-Stromschiene 7 reichen und ist dann auch oberhalb der AC-Stromschiene 7 angeordnet, wie in 8-10 zu sehen bzw. angedeutet.
Die mechanische Befestigung kann auf unterschiedlichste Art erfolgen, z.B. kann sie geklebt, geschraubt, heißverstemmt oder mittels einer Kombination davon befestigt werden. In den Figuren sind jeweils Fixierungspunkte F gezeigt, die eine Heißverstemmung darstellen.
Durch die nunmehr in das Einzelphasenmodul 1 integrierte Leiterplatte 10 können Sensorsignale direkt abgegriffen und andere Signale innerhalb des Einzelphasenmoduls 1 übertragen werden.
Ein weiterer Vorteil der Einlegeplatine (integrierte Leiterplatte 10) wird nachfolgend im Zusammenhang mit der Anordnung von Sensoren beschrieben.
Die Leiterplatte 10 weist vorteilhafterweise Löcher auf, durch welche eine zusätzliche Moldmasse mit der Ummantelung 60 verbunden werden kann, z.B. durch Heißverstemmung, so dass die Leiterplatte 10 fest und positionsgenau befestigt ist. Vorteilhaft sind mehrere Löcher und damit Fixierungspunkte F vorgesehen, je nach Größe der Leiterplatte 10, wie z.B. in 9 und 10 zu sehen.
In Einzelphasenmodulen 1 sind ein oder mehrere Temperatursensoren 13 vorgesehen, um die Temperatur der Halbleiterpackages 4 zu überprüfen, damit diese nicht überhitzen. Bisher sind Temperatursensoren 13 nicht in der Nähe der Halbleiterpackages 4 angeordnet. Vielmehr sind sie z.B. auf einer Platine oberhalb der obersten Stromschiene, oder sogar eines Niederhalters 9 des Einzelphasenmoduls 1 vorgesehen, von der aus sie über z.B. Ausnehmungen in der über die Halbleiterpackages 4 führenden DC-Minus-Stromschiene 6 mit Ummantelung 60 zu den Halbleiterpackages 4 geführt werden. Allerdings sind sie dort nicht in direktem Kontakt. Somit ist die Genauigkeit der Temperaturmessung aktuell immer noch verbesserungswürdig.
Wie z.B. in 5 gezeigt, wird deshalb vorgeschlagen, dass auf einer Oberseite (der Seite, die nicht an der Basisplatte 2 befestigt ist) eines oder mehrerer, auch aller, Halbleiterpackages 4 ein Metallpin 41 mittels einer Wärmeleitpaste WLP befestigt und damit mit dem Halbleiterpackage 4 thermisch gekoppelt ist. Besonders bevorzugt ist der Metallpin 41 an einem Halbleiterpackage 4 der Highside angeordnet. Der Metallpin 41 stößt durch eine Öffnung 67 in der DC-Minus-Stromschiene 6, genauer der Ummantelung 60, um mit dem Temperatursensor 13 thermisch gekoppelt zu werden, vorzugsweise wiederum über eine Wärmeleitplaste WLP. Der Metallpin 41 ist vorteilhaft derart auf dem Halbleiterpackage 4 angeordnet, dass er sich möglichst exakt über den darin enthaltenen Leistungshalbleitern befindet. Die DC-Minus-Stromschiene 6 weist hierfür eine Öffnung 67 auf, um den Metallpin 41 zu ihrer Unterseite durchzulassen, wobei die Öffnung 67 auch mit einer Ummantelung 60 umgeben ist, um eine elektrische Isolierung bereitzustellen.
Die Wärmeleitpaste WLP dient als Lückenfiüller (zur Überbrückung von Unebenheiten) und zur thermischen Kopplung zwischen Halbleiterpackage 4 und Temperatursensor 13.
Ferner ist mindestens ein Temperatursensor 13 vorgesehen, der an einer oberhalb der DC-Minus-Stromschiene 6 vorgesehenen Leiterplatte 10 derart befestigt ist, dass er mit seinem zugehörigen Metallpin 41 kontaktiert werden kann. Er ist also zwischen Metallpin 41 und Leiterplatte 10 angeordnet. Der Temperatursensor 13 ist dabei vorteilhaft exakt oberhalb des Metallstifts 41 (insbesondere mittig darauf) angeordnet, um eine möglichst optimale Wärmeübertragung zu gewährleisten. Die Leiterplatte 10 ist oberhalb der Ummantelung 60 der obersten DC-Stromschiene, hier der DC-Minus-Stromschiene 6, vorgesehen und vorzugsweise als integrierte Leiterplatte 10 (Einlegeplatine) gebildet, wie oben beschrieben.
In einer Ausführung ist ein Temperatursensor 13 auf einem oder mehreren Halbleiterpackages 4 auf einer oder auf beiden Seiten der Halbbrücke (also der Highside und/oder der Lowside) vorgesehen, wobei er vorzugsweise auf einem Halbleiterpackage 4 der Highside vorgesehen ist.
Die Leiterplatte 10 ist als eine Sensorplatine gebildet, um vom Temperatursensor 13 oder anderen, daran angebundenen Sensoren, wie z.B. einem später beschriebenen Stromsensor 14, Sensorsignale zu erhalten und innerhalb des Einzelphasenmoduls 1, welches auch als Powerpack bezeichnet wird, zu erfassen, zu sammeln und über Übergabeschnittstellen nach außerhalb des Einzelphasenmoduls 1, z.B. zu einer externen Verarbeitungseinrichtung, zu übergeben.
In einer Ausführung werden alle Sensorsignale, die mittels der Leiterplatte 10 gesammelt werden, an einem einzigen Übergabebereich nach extern geführt. Dieser Übergabebereich ist z.B. in 4 und 8 bis 10 als auf der Leiterplatte 10 vorgesehene Signalpins 15 in einem äußeren Bereich des Einzelphasenmoduls 1 oberhalb der DC-Stromschienen 5, 6 dargestellt.
Wie ebenfalls bereits beschrieben, weist die Leiterplatte 10 vorteilhafterweise Löcher auf, durch welche eine zusätzliche Moldmasse mit der Ummantelung 60 verbunden werden kann, z.B. durch Heißverstemmung, so dass die Leiterplatte fest und positionsgenau befestigt ist. Vorteilhaft sind vier Löcher und damit Fixierungspunkte F vorgesehen, wie z.B. in 9 und 10 zu sehen.
In Einzelphasenmodulen 1 sind ein oder mehrere Stromsensoren 14 (in der Regel Hall-Sensoren) vorgesehen, die auf einer Leiterplatte oberhalb einer Verengung der AC-Schiene 7 angeordnet werden. Es ist hinlänglich bekannt, dass Hall-Sensoren oberhalb einer solchen Verengung angeordnet werden, um Strom zu messen. Auch ist bekannt, dass die Positionierung des Stromsensors 14 sehr genau sein muss, damit keine Fehlmessung entsteht.
Um eine bessere Positioniergenauigkeit zu erreichen, wird vorgeschlagen, die beschriebene integrierte Leiterplatte 10 mit dem Stromsensor 14 zu bestücken. Dies kann zusätzlich oder alternativ zum bereits beschriebenen Temperatursensor 13 erfolgen.
Hierfür ist die (starre) Leiterplatte 10 zumindest teilweise oberhalb der AC-Stromschiene 7 angeordnet, wobei sie insbesondere oberhalb einer Verengung der AC-Stromschiene 7 angeordnet ist, oberhalb derer der Stromsensor 14 platziert werden muss. Der Stromsensor 14, welcher in der Regel ein Hall-Sensor ist, ist an dem Bereich der Leiterplatte 10 angeordnet, der sich oberhalb der Verengung (auch als Kerbe oder Nut zu bezeichnen) der AC-Stromschiene 7 befindet. Er befindet sich - im Gegensatz zum Temperatursensor 13 - auf der Oberseite der Leiterplatte 10, also der Seite, die den Stromschienen 5-7 abgewandt ist. Die Leiterplatte 10 dient dazu, die Sensorsignale des Stromsensors 14 an die Übergabebereiche, also die Signalpins 15, zu übertragen.
Die Leiterplatte 10 weist - wie bereits für die Fixierung des Temperatursensors 13 beschrieben - vorteilhafterweise Löcher auf, durch welche eine zusätzliche Moldmasse mit einer AC-Isolation 70 auf der Unterseite der AC-Stromschiene 7 verbunden werden kann, z.B. mittels Heißverstemmung, so dass die Leiterplatte 10 und damit der Stromsensor 14 fest und positionsgenau befestigt ist. Vorteilhaft sind vier Fixierungspunkte F vorgesehen, wie z.B. in 6 zu sehen.
Vorteilhaft an der Anordnung des Stromsensors 14 an der Leiterplatte 10 ist, dass er nicht nur durch die Fixierung der Leiterplatte in x- und y-Richtung fixiert ist, sondern dass auch eine genau definierte Dicke in z-Richtung durch die bekannte Dicke der Leiterplatte 10 vorhanden ist, wie in 7 zu sehen. Durch die nunmehr mögliche exakte Positionierung, genauer die Kenntnis der exakten Position, des Stromsensors 14, kann eine genauere Messung des Stroms in der AC-Schiene 7 erfolgen.
Außerdem ist ein Vorteil, dass keine Isolierung gegenüber der AC-Stromschiene 7 mehr nötig ist, da die Leiterplatte 10 als Isolierung dient.
Da auf der Leiterplatte 10 sowohl Temperatursensoren 13 oberhalb der DC-Stromschienen 5, 6 zur Überwachung der Temperatur der Halbleiterpackages 4 als auch Stromsensoren 14 oberhalb der AC-Stromschiene 7 vorgesehen sein können, kann die Leiterplatte 10 im Wesentlichen über die gesamte Länge (y-Richtung) des Einzelphasenmoduls 1 reichen, wie z.B. in 9 und 10 gezeigt. Da sich die Leiterplatte 10 dann über eine größere Fläche erstreckt, insbesondere wenn sie von der obersten DC-Stromschiene 6 auf die AC-Stromschiene 7 übergeht, kann es aufgrund der Länge, als auch aufgrund von Temperaturschwankungen und Vibration zu Verspannungen in der Leiterplatte 10 kommen.
Diese sind unerwünscht, da sie die Genauigkeit der Messungen der Sensoren beeinträchtigen können. Deshalb wird vorgeschlagen, die Leiterplatte 10 an mindestens einem Bereich davon mit einer Struktur 101 zu versehen, die eine mechanische Entkopplung zwischen verschiedenen Bereichen der Leiterplatte 10 ermöglicht.
Insbesondere ist die Struktur 101 an einem Übergang zwischen DC-Stromschiene 6 und AC-Stromschiene 7 vorgesehen. Dabei ist die Struktur 101 vorteilhaft nur auf der DC-Stromschiene 6 vorgesehen. Sie könnte sich aber auch nur auf der AC-Stromschiene 7 oder im Übergangsbereich befinden.
Die Struktur 101 ist geschwungen, vorteilhaft in Form eines C oder eines (einfachen oder mehrfachen) S gebildet, entweder mit abgerundeten oder eckigen Bögen (Form eines Rechtecksignals oder eines Mäanders), wie in 9-10 zu sehen. Andere Formen wie Dreiecke sind auch denkbar, solange sie die anwendungsspezifisch benötigte mechanische Entkopplung zwischen vorgegebenen Bereichen der Leiterplatte 10 bereitstellen können.
Das Einzelphasenmodul 1 ist also gebildet aus einer in einem Gehäuse 12 des Inverters befestigten Basisplatte 2, die Aufnahmebereiche 22 für Halbleiterpackages 4 einer Halbbrücke (also jeweils mindestens einen Lowside- und einen Highside-Schalter) aufweist. Auf den Halbleiterpackages 4 und damit elektrisch kontaktiert sind übereinander gestapelte Stromschienen 5, 6, 7 vorgesehen, von denen die DC-Stromschienen 5 und 6 jeweils eine Ummantelung aufweisen. Oberhalb der obersten DC-Stromschiene, hier der DC-Minus-Stromschiene 6, ist in einem Endbereich des Moduls die AC-Stromschiene 7 vorgesehen. Auf der obersten DC-Stromschiene 6 und/oder der AC-Stromschiene 7 ist die Einlegeplatine (Leiterplatte 10) angeordnet und daran befestigt. Dort sind ein oder mehrere Sensoren, z.B. Temperatursensoren 13 und/oder Stromsensoren 14, angeordnet. Oberhalb der Leiterplatte 10 sind vorteilhaft noch ein Isolations-Einlegeteil 8, das aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist, zur elektrischen Isolierung der elektronischen Komponenten der Leiterplatte 10 und ein darauf angeordneter Niederhalter 9 aus Metall vorgesehen, der im Wesentlichen als EMV-Schutz dient.
Gemäß einer Ausführung weist die Basisplatte 2 ein oder mehrere Positionierungslöcher 20 auf, und die Komponenten DC-Stromschienen 5 und 6, Isolations-Einlegeteil 8 und Niederhalter 9 weisen ebenfalls jeweils Positionierlöcher 51, 61, 81, 91 auf, die bei Montage mit den Positionierungslöchern 20 der Basisplatte 2 in Überdeckung gebracht werden. Um ein Verrutschen der Komponenten zu vermeiden, wird ein Positionierstift 3 durch alle Löcher 20, 51, 61, 81, 91 gesteckt und vorteilhaft auch noch durch die Positionierungslöcher 20 bis in eine Positionierstruktur 121 des Gehäuses 12 geführt. In einer Ausführung wird der Positionierstift 3 in die Löcher 20, 51, 61, 81 und 91 eingepresst, so dass eine minimale Bewegungstoleranz (Spielfreiheit) vorhanden ist. Vorzugsweise ist die Verbindung völlig spielfrei.
Selbst ohne diese Positionierhilfen ist die Einlegeplatine (Leiterplatte 10) vorteilhaft, da sie es nunmehr ermöglicht, Sensorsignale (und gegebenenfalls auch andere Signale) innerhalb des Einzelphasenmoduls 1 zu sammeln und an einen oder mehrere Übergabebereiche nach außerhalb des Einzelphasenmoduls 1 zu übertragen. Es ist somit keine Platine mehr außerhalb des Einzelphasenmoduls 1, also oberhalb des Niederhalters 9, mehr vorgesehen. Auf der Einlegeplatine (Leiterplatte 10) können zudem ein oder mehrere Sensoren angeordnet sein, deren Signale zu einem (zentralen) Übergabebereich nach extern, z.B. zu einer Verarbeitungseinheit, übertragen (dort abgegriffen) werden können. Die Leiterplatte 10 kann auch als vorgefertigte, also bereits mit den Sensoren bestückte, Platine gebildet sein, um bei Montage mit weniger Aufwand als bisher in das Einzelphasenmodul 1 integriert zu werden.
Durch die Integration der Leiterplatte 10 in das Einzelphasenmodul 1 wird es möglich, Signale innerhalb des Einzelphasenmoduls 1 zu übertragen. Auch wird es möglich, Sensorsignale näher an den Sensoren 13, 14 abzugreifen, was die Messgenauigkeit alleine schon aufgrund geringerer Übertragungsverluste erhöht. Insgesamt ist das Einzelphasenmodul 1 nunmehr auch deutlich kompakter, da kein externes Sensorsystem oder angebaute Platinen etc. mehr benötigt werden. Somit wird Bauraum eingespart.
Um das Einzelphasenmodul 1 noch kompakter zu machen, sind Konturen von zwei einander gegenüberliegenden Verbindungsseiten S1, S2 der Basisplatte 2 komplementär zueinander gebildet, wie bereits beschrieben. Dies ermöglicht es, nebeneinander angeordnete Basisplatten 2 (und damit auch Einzelphasenmodule 1) näher aneinander anzuordnen ohne dabei den für die Halbleiterpackages 4 benötigten Platz einzuschränken. Somit kann ein Mehrphasenmodul, insbesondere ein Dreiphasenmodul, sehr kompakt gebaut werden.
Der Vollständigkeit halber wird hier nochmals auf Einzelheiten der Komponenten eingegangen, die für den Zusammenbau des Einzelphasenmoduls 1 beachtet werden sollten.
Die DC-Minus-Stromschiene 6 weist vorteilhaft isolierte Durchführungen auf, damit Hochspannungs- und/oder Signalpins der Halbleiterpackages 4 und/oder Spannungspins der darunter befindlichen DC-Plus-Stromschiene 5 nach oberhalb (auf die Oberseite) der DC-Minus-Stromschiene 6 geführt werden können, und damit die AC-Stromanschlüsse der über der DC-Minus-Stromschiene 6 befindlichen AC-Schiene 7 zu den AC-Abgriffen der Halbleiterpackages 4 auf die Unterseite der DC-Minus-Stromschiene 6 durchgeführt werden können. Außerdem kann ein HV-Minus Spannungsanschlusspin aus der DC-Minus-Stromschiene 6 heraus nach oben (von den Halbleiterpackages 4 weg) gebogen sein, um DC-Minus-Potential für auf der Leiterplatte 10 angeordnete Komponenten wie Treiberversorgung oder Entstörkondensatoren bereitzustellen.
Da die DC-Minus-Stromschiene 6 vollflächig über den Halbleiterpackages 4 platziert ist, können unerwünschte elektrische Wechselwirkungen mit darüber oder darunter platzierten Bauteilen, insbesondere den DC-Plus- und AC-Stromschienen 5, 7 auftreten. Deshalb ist eine vollständige Ummantelung 60 der DC-Minus-Stromschiene 6 an Bereichen, an denen sie die anderen Stromschienen 5, 7 überdeckt, also an denen sie nicht elektrisch kontaktiert wird, vorgesehen, um eine elektrische Isolierung zu ihrer Umgebung, insbesondere den DC-Plus- und AC-Stromschienen 5, 7, bereitzustellen. Die Ummantelung 60 ist also lediglich am DC-Minus-Abgriff, an dem aus der DC-Minus-Stromschiene 6 heraus nach oben gebogenen HV-Minus Spannungsanschlusspin, und an den DC-Minus-Stromanschlüssen der Halbleiterpackages 4 nicht vorhanden.
Die Ummantelung 60 ist, wie bereits aus dem Stand der Technik bekannt und deshalb nicht näher beschrieben, aus einem elektrisch isolierenden Material, vorzugsweise als Mold-Material gebildet, also zum Umspritzen oder Ummolden (Flussprozess) geeignet. Unter der Formulierung, dass die Ummantelung 50, 60 aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist, ist in Bezug auf die nachfolgend beschriebene Komponente Isolations-Einlegeteil 8 des Einzelphasenmoduls 1 sowohl zu verstehen (bevorzugte Ausführung), dass die Ummantelung um eine Basisstruktur, z.B. ein Blech, aufgebracht ist, z.B. mittels Umspritzen, als auch, dass die Komponente des Einzelphasenmoduls 1 vollständig aus dem elektrisch isolierenden Material gebildet ist.
Die Ummantelung 60 weist vorteilhaft Vias zur Durchführung diverser Komponenten von ihrer zu der Basisplatte 2 weisenden Unterseite auf ihre gegenüberliegende Oberseite (oder vice versa) auf. Die Vias korrespondieren selbstverständlich mit den Vias in der DC-Minus-Stromschiene 6, liegen also übereinander.
Im Detail können eine oder mehrere Vias vorhanden sein, um den AC-Stromanschluss der AC-Schiene 7 zu den AC-Abgriffen der Halbbrücken zu führen. Auch sind mehrere (mindestens eine) Vias vorhanden, um HV-Plus Stromanschlusspins der in einer bevorzugten Ausführung unterhalb der der DC-Minus-Stromschiene 6 angeordneten DC-Plus-Stromschiene 5 auf die Oberseite der DC-Minus-Stromschiene 6 zu führen. Auf der Unterseite ist selbstverständlich kein Via für den HV-Minus Stromanschlusspin vorgesehen, da dieser aus der Oberseite der DC-Minus-Stromschiene 6 gebogen und in der Ummantelung 60 eingebettet ist.
Die Ummantelung 60 auf der Oberseite der DC-Minus-Stromschiene 6 weist in einer Ausführung (anstatt einer Öffnung) nach oberhalb der Oberseite herausragende und als Tunnel für die Pins dienende Dome 62 auf, wie z.B. in 8 und 9 dargestellt. Die Pins werden bei der Montage durch die Tunnel geführt. Die Dome 62 sind also Teil der Ummantelung 60 (daraus im selben Prozess gebildet, keine Anbaustrukturen) und aus demselben Material gebildet. Sie sind im Inneren hohl, um die Pins durchführen zu können und dienen damit als Tunnel. Diese Tunnel erfüllen damit sowohl die Aufgabe, eine elektrische Isolierung der Pins zum Niederspannungspotential bereitzustellen, als auch eine Positionierung und Fixierung der Pins bereitzustellen. Die Tunnel ragen dabei so weit aus der Oberseite heraus, dass sie auch über die Oberseite des in einer weiteren Ausführung vorhandenen und nachfolgend beschriebenen flächigen Bauteils (Niederhalter 9) reichen.
Ferner ist in einer Ausführung ein Isolations-Einlegeteil 8 vorgesehen, das (mit seiner Unterseite) oberhalb der AC-Stromschiene 7 auf diese aufgebracht, genauer aufgelegt, ist, wie in 8 zu sehen. Das Isolations-Einlegeteil 8 ist aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet und dient als eine elektrische Isolierung. In der gezeigten Ausführung ist die AC-Stromschiene 7 oberhalb der DC-Minus-Stromschiene 6 angeordnet und liegt auf dieser auf. Um keine unerwünschten elektrischen Wechselwirkungen zu verursachen, ist die DC-Minus-Stromschiene 6 mit einer elektrisch isolierenden Ummantelung 60, wie bereits weiter oben beschrieben, umgeben und auch in 8 gezeigt. Auf diese wird die AC-Stromschiene 7 aufgelegt, wie in 9 und 10 zu sehen. Erst dann wird das Isolations-Einlegeteil 8 aufgebracht. Das Isolations-Einlegeteil 8 weist an seiner Oberseite (die nicht auf der Stromschiene 6 aufliegt) vorteilhaft eine oder mehrere Öffnungen auf, um über aus der DC-Minus-Stromschiene 6 herausragende Dome 62 (wenn vorhanden) aufgesteckt zu werden. Die Öffnungen und Dome 62 dienen dabei auch als Positionierungshilfe für das Isolations-Einlegeteil 8.
Das Isolations-Einlegeteil 8 könnte mittels Befestigungsmitteln befestigt werden. In einer weiteren Ausführung ist allerdings ein flächiges Bauteil als Niederhalter 9 vorgesehen, welches sowohl als Niederhalter 9 für den gesamten Blechstapel (Stromschienen 5-7) und für das Isolations-Einlegeteil 8, als auch als EMV-Schild dient. Ein solches flächiges Bauteil (Niederhalter 9) ist z.B. in 8 dargestellt. Im Wesentlichen ist es so gebildet, dass es die Oberseite des beschriebenen Einzelphasenmoduls 1 bildet, also im Wesentlichen auf dem Stromschienenstapel (inkl. Isolations-Einlegeteil 8) aufliegt. Es liegt also auf der Oberseite der Ummantelung 60 der DC-Minus-Stromschiene 6 und des Isolations-Einlegeteils 8 auf. In einer alternativen Ausführung kann auch die Unterseite des Niederhalters 9 eine elektrisch isolierende Ummantelung aufweisen.
Das Isolations-Einlegeteil 8 und der Niederhalter 9 weisen vorteilhaft mit den Positionierungslöchern 20 und Positionierlöchern 51, 61 korrespondierende Öffnungen an ihren Außenbereichen auf, damit ein Positionierstift 3 dort eingebracht werden kann und als Positionierhilfe dient, so dass die DC-Stromschienen 5, 6 und das Isolations-Einlegeteil 8 und der Niederhalter 9 über den oder die Positionierstifte 3 an der Basisplatte 2 positioniert ist. Durch die Positionierstifte 3 werden also alle Komponenten 5, 6, 8, 9 miteinander in Bezug gebracht und aneinander exakt positioniert bzw. ausgerichtet. Damit sind auch die Einlegeplatine (Leiterplatte 10) und darauf angeordnete Komponenten wie Sensoren 13, 14 exakt positioniert.
Das Isolations-Einlegeteil 8 und der Niederhalter 9 weisen vorteilhaft mit dem oder den Übergabebereichen korrespondierende Öffnungen auf, damit die Signalpins 15 nach außerhalb des Einzelphasenmoduls 1 geführt werden können. Weitere Öffnungen zur Durchführung von Pins und anderen Bauteilen können selbstverständlich ebenfalls vorgesehen sein.
Der Niederhalter 9 sollte möglichst flächig aufliegen, insbesondere um eine gute EMV-Schirmung zu gewährleisten, aber auch zum Fixieren der darunter befindlichen Komponenten, um z.B. ein Klappern zu verhindern. Dafür ist auch seine Kontur bestmöglich an die abzudeckende Kontur angepasst. Um den Niederhalter 9 und damit den gesamten Aufbau zu fixieren, ist vorgesehen, dass die Positionierstifte 3 aus dem Positionierloch 91 des Niederhalters 9 herausragen und ein Metallring als Befestigungselement 11 darüber aufgebracht wird, wie in 8 und 9 gezeigt. Dieser wird mit dem Positionierstift 3 vorteilhaft verschweißt. Somit ist das Einzelphasenmodul 1 auch in z-Richtung fixiert.
In einer Ausführung hat der Niederhalter 9 auch eine elektrisch isolierende Funktion und dient als EMV-Schild (EMV= Elektromagnetische Verträglichkeit). Hierfür sind die Öffnungen, durch welche die oben beschriebenen Tunnel (Dome 62) geführt werden, größer als nur für das Durchführen benötigt. Der Abstand zu den Tunneln, in welchen Strom- und/oder Signalpins der Halbleiterpackages 4 geführt werden, und die so hoch sind, dass die Strom- und/oder Signalpins erst oberhalb des Niederhalters 9 herausstehen und kontaktiert werden können, hängt von der für die Anwendung benötigten Luftstrecke ab, welche vom Fachmann nach bekannten Vorschriften bestimmt wird. Die Öffnungen, durch welche Tunnel geführt sind, sind also derart gebildet, dass eine vorgegebene Luftstrecke zwischen durchgeführten Pins und dem Niederhalter 9 eingehalten ist.
Durch die Öffnungen und die durchgeführten Komponenten der darunter liegenden Schichten dient der Niederhalter 9 als Schranke (EMV-Schild) zwischen Hochvoltbereich (Unterseite) und Signalbereich (Oberseite). Gleichzeitig dient er als Fixierung (Niederhalter im Wortsinn). Da der Niederhalter 9 aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist und mit der Basisplatte 2 über die Positionierstifte 3 verbunden ist, kann es auch als Massepotential (GND) für damit verbundene Bauteile dienen.
Das vorgeschlagene Einzelphasenmodul 1 ist Teil eines Inverters, also eines DC/AC-Wechselrichters, der bevorzugt drei Phasen aufweist, die aus jeweils einem Einzelphasenmodul 1 gebildet sind. Der Inverter wird vorteilhaft in einer Leistungselektronik zum Betrieb eines dreiphasigen Elektromotors eines Fahrzeugs verwendet und ist mit einer als Treiber dienenden elektronischen Steuereinheit, kurz ECU, signaltechnisch verbunden. Die ECU dient dazu, den Inverter und den Elektromotor anzusteuern und zu regeln.
Das Einzelphasenmodul 1, genauer die Basisplatte 2, kann außerdem eine nicht gezeigte Kühlvorrichtung in Form von z.B. Lamellen oder Finnen aufweisen oder mit einer separaten Kühlvorrichtung an der Unterseite der Basisplatte 2 (gegenüberliegende Seite der Seite mit den Halbbrücken) verbunden sein.
Die Leistungselektronik wird vorzugsweise in einem Elektroantrieb eines Fahrzeugs verwendet, der einen dreiphasigen Elektromotor und einen Akkumulator aufweist, wobei die Leistungselektronik mit beiden verbunden ist, um vom Akkumulator eingehenden Gleichstrom in für den Elektromotor verwendbaren Wechselstrom mittels des Inverters zu erzeugen, um den Elektromotor damit anzutreiben. Der Elektromotor ist dabei insbesondere ein elektrischer Achsantrieb. Vorteilhaft weist ein Fahrzeug, z.B. ein PKW oder ein NKW, mindestens einen solchen Antrieb auf.
Bezugszeichenliste

1: Einzelphasenmodul
2: Basisplatte
20: Positionierungslöcher
21: Befestigungslöcher
22: Aufnahmebereich für 4
3: Positionierstift
L: Länge Positionierstift
L1: Länge oberer Bereich, Positionierung Komponenten
L2: Länge unterer Bereich, Positionierung an Gehäuse
4: Halbleiterpackages
40: Metallträger mit Wärmeleitpaste WLP auf Oberseite von 4
41: Metallstift
5, 6: Stromschiene (DC+), Stromschienen (DC-)
50: Ummantelung DC-Plus-Stromschiene
51: Positionierlöcher
60: Ummantelung DC-Minus-Stromschiene
61: Positionierlöcher
62: Dom
67: Öffnung in 6
7: Stromschiene (AC)
70: AC-Isolation Unterseite
8: Isolations-Einlegeteil zu Niederhalter
9: flächiges Bauteil als Niederhalter und EMV Schild
10: Leiterplatte
101: Struktur in 10
11: Befestigungselement
12: Gehäuse
121: Positionierstruktur
13: Temperatursensor
14: Stromsensor
15: Signalpins (Übergabebereich Sensorsignale nach extern)
S1, S2: Verbindungsseiten von 2
A: Ausschnitt (1)
WLP: Wärmeleitpaste
F: Fixierungspunkte

Claims

Einzelphasenmodul (1) eines Inverters eines Elektroantriebs eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, aufweisend - eine Basisplatte (2) - mindestens eine an der Basisplatte (2) angeordnete und direkt darauf befestigte, zwei Halbleiterpackages (4) aufweisende Halbbrücke, - auf der oder den Halbbrücken und mit den zugehörigen Stromanschlüssen elektrisch kontaktierte und gestapelt angeordnete Stromschienen (5, 6, 7), aufweisend eine DC-Plus-Stromschiene (5), eine DC-Minus-Stromschiene (6) und eine AC-Stromschiene (7), wobei die oberste DC-Sitromschiene (5, 6) vollflächig über die Geometrie der Basisplatte (2) verläuft, und wobei die DC-Plus-Stromschiene (5) und die DC-Minus-Stromschiene (6) jeweils eine elektrisch nicht leitende Ummantelung (50, 60) aufweisen, und wobei die AC-Stromschiene (7) als oberste Stromschiene angeordnet und derart gebildet ist, dass sie an einem Bereich davon eine Verengung aufweist, - eine Leiterplatte (10), die zumindest teilweise oberhalb der AC-Stromschiene (7) angeordnet und daran befestigt ist, - einen Stromsensor (14), der oberhalb der Verengung der AC-Stromschiene (7) auf der Leiterplatte (10) befestigt ist.
Einzelphasenmodul (1) nach Anspruch 1, wobei der Stromsensor (14) mit der Leiterplatte (10) in Signalverbindung ist.
Einzelphasenmodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Leiterplatte (10) dazu eingerichtet ist, Sensorsignale zu sammeln und innerhalb des Einzelphasenmoduls (1) und über Signalpins (15) nach außerhalb des Einzelphasenmoduls (1) zu übertragen.
Einzelphasenmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei weitere Sensoren, insbesondere ein Temperatursensor (13), auf der Leiterplatte angeordnet sind.
Einzelphasenmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Stromsensor (14) auf einer Seite der Leiterplatte (10) angeordnet ist, die der Basisplatte (2) gegenüberliegt.
Einzelphasenmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Basisplatte (2) mindestens ein an Randbereichen von mindestens einer Verbindungseite (S1,S2) davon vorgesehenes Positionierungsloch (20) aufweist, und wobei die DC-Stromschienen (5, 6) mindestens ein Positionierloch (51, 61) aufweisen und derart angeordnet sind, dass sie miteinander und mit dem mindestens einen Positionierungsloch (20) der Basisplatte (2) bei Montage in Überdeckung gebracht werden, wobei ferner ein Positionierstift (3) je Positionierungsloch (20) vorgesehen ist, dessen Länge (L, L1) derart gewählt ist, dass er bei Montage in die Positionierlöcher (51, 61) der DC-Stromschienen (5, 6) derart eingebracht wird, dass er die DC-Stromschienen (5, 6) an der Basisplatte (2) zueinander positioniert.
Einzelphasenmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Leiterplatte (10) eine Struktur (101) aufweist, die als mechanische Entkopplung wirkt.
Leistungselektronik zum Betrieb eines dreiphasigen Elektromotors eines Fahrzeugs, wobei die Leistungselektronik aufweist: - einen Inverter, der je Phase gebildet ist aus einem Einzelphasenmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, sowie - mindestens eine ECU, die mit dem Elektromotor zu dessen Steuerung und Regelung und mit dem Inverter verbunden ist.
Elektroantrieb eines Fahrzeugs, aufweisend einen dreiphasigen Elektromotor und einen Akkumulator, sowie eine mit beiden verbundene Leistungselektronik nach Anspruch 8.
Fahrzeug, aufweisend einen Elektroantrieb nach Anspruch 9, der als elektrischer Achsantrieb gebildet ist.