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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Baueinheit, welche eine Leistungselektronik-Baugruppe und einen Kühlkörper aufweist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Zusammenbau einer Baueinheit.
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Technischer Hintergrund
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Bei der Fertigung von Baueinheiten der Leistungselektronik wird eine Leistungselektronik-Baugruppe in der Regel bereits vor der Montage an den Kühlkörper angebunden. Der Nachteil dieser Vorgehensweise ist, dass die Zugänglichkeit für eine direkte Kontaktierung von Anschlussdrähten eines Leistungsverbrauchers nicht gegeben ist. Darüber hinaus ist es wegen der hohen Wärmekapazität des Kühlkörpers in der Regel nicht möglich, die Leistungselektronik-Baugruppe direkt mit dem Kühlkörper zu verlöten.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Baueinheit und ein Verfahren zum Zusammenbau der Baueinheit zur Verfügung zu stellen, die die elektrische Kontaktierung von Anschlussdrähten eines Leistungsverbrauchers vereinfacht und eine bessere Entwärmung ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Baueinheit,
- - welche einen Verbund zwischen einer Leistungselektronik-Baugruppe und einem Leistungsverbraucher aufweist,
- - wobei eine thermisch leitfähige Trägerplatte auf die Leistungselektronik-Baugruppe so aufgebracht ist, dass zwischen der Trägerplatte und mindestens einer Wärmeableitstelle der Leistungselektronik-Baugruppe ein erster thermischer Kontakt ausgebildet ist,
- - wobei die Gesamtheit aus der Trägerplatte und der Leistungselektronik-Baugruppe an einem Leistungsverbraucher anbringbar ist,
- - wobei die Trägerplatte mindestens eine Ausnehmung aufweist, die dazu ausgebildet ist, einen Zugang zu mindestens einem Anschlussdraht des Leistungsverbrauchers zu ermöglichen,
- - wobei ein Kühlkörper auf der von der Leistungselektronik-Baugruppe abgewandten Seite an der Trägerplatte aufbringbar ist, wobei zwischen der Trägerplatte und dem Kühlkörper ein zweiter thermischer Kontakt ausgebildet wird.
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Ein Vorteil dieser Lösung ist, dass durch die Bereitstellung der Trägerplatte eine direkte Kontaktierung von Anschlussdrähten des Leistungsverbrauchers ermöglicht wird. Dabei ist die Elektronik während der Kontaktierung größtenteils geschlossen, so dass die Gefahr von Schmutzeintrag oder Kurzschlüssen gering ist. Darüber hinaus wird eine hohe Integrationsdichte in dem Aufbau des Leistungsverbrauchers ermöglicht.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass die Elektronik separat gefertigt werden kann. Insbesondere ermöglicht es der Einsatz der Trägerplatte, dass bei der Elektronikfertigung eine immer gleiche Elektronikbaugruppe hergestellt wird und diese dann flexibel für unterschiedliche Applikationen eingesetzt werden kann Ein weiterer Vorteil ist, dass die Montagereihenfolge weitestgehend in einer Richtung ohne Drehung der Unterbaugruppen im Linienaufbau erfolgen kann.
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Darüber hinaus führt der Einsatz der Trägerplatte zu einer verbesserten Entwärmung. Die Trägerplatte wirkt als Wärmeverteiler („heat spreader“), wodurch die entstehende Wärme besser abgeführt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Leistungselektronik-Baugruppe mit der Trägerplatte verlötet werden kann, was zu einer verbesserten thermischen Kopplung führt. Der Aufbau ermöglicht darüber hinaus auch ein Verschweißen der Trägerplatte mit dem Kühlkörper, was einen direkten stofflichen Wärmeübergang und somit ebenfalls eine verbesserte thermische Kopplung ermöglicht.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Zusammenbau einer Baueinheit ausgehend von einer Leistungselektronik-Baugruppe, einer thermisch leitfähigen Trägerplatte und einem Kühlkörper, wobei das Verfahren aufweist:
- - Aufbringen der Trägerplatte auf die Leistungselektronik-Baugruppe, wobei ein erster thermischer Kontakt zwischen der Trägerplatte und mindestens einer Wärmeableitstelle der Leistungselektronik-Baugruppe ausgebildet wird,
- - Anbringen der Gesamtheit aus der Trägerplatte und der Leistungselektronik-Baugruppe an einem Leistungsverbraucher, wobei die Trägerplatte mindestens eine Ausnehmung aufweist, die dazu ausgebildet ist, einen Zugang zu mindestens einem Anschlussdraht des Leistungsverbrauchers zu ermöglichen,
- - Herstellen von elektrischen Verbindungen zwischen mindestens einem der Anschlussdrähte des Leistungsverbrauchers und mindestens einem Anschluss der Leistungselektronik-Baugruppe,
- - Anbringen des Kühlkörpers an der von der Leistungselektronik-Baugruppe abgewandten Seite der Trägerplatte, wobei zwischen der Trägerplatte und der Leistungselektronik-Baugruppe ein zweiter thermischer Kontakt ausgebildet wird.
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Vorzugsweise ist die Gesamtheit aus der Trägerplatte und der Leistungselektronik-Baugruppe an dem Leistungsverbraucher so anbringbar, dass sich mindestens ein Anschlussdraht des Leistungsverbrauchers in die Leistungselektronik-Baugruppe erstreckt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Ausnehmung dazu ausgebildet, das Ausbilden einer entsprechenden elektrischen Verbindung zwischen dem mindestens einem Anschlussdraht des Leistungsverbrauchers und einem entsprechenden Anschluss der Leistungselektronik-Baugruppe zu ermöglichen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Leistungsverbraucher um einen Elektromotor, wobei es sich bei den Anschlussdrähten um Statordrähte des Elektromotors handelt.
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Weiter vorzugsweise ist der Wicklungsdraht aus der mindestens einen Statorspule des Elektromotors herausgeführt und stellt mindestens einen der Anschlussdrähte der mindestens einen Statorspule dar. Vorzugsweise sind die Statordrähte einstückig mit den Wicklungsdrähten der mindestens einen Statorspule des Elektromotors.
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Vorzugsweise handelt es sich bei der Baueinheit um einen Inverter für einen Elektromotor.
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Es ist von Vorteil, wenn die Gesamtheit aus der Trägerplatte und der Leistungselektronik-Baugruppe so auf einen Elektromotor aufsetzbar ist, dass sich mindestens ein Statordraht des Elektromotors in die Leistungselektronik-Baugruppe hinein erstreckt.
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Vorzugsweise ist die mindestens eine Ausnehmung der Trägerplatte dazu ausgebildet, das Ausbilden von elektrischen Verbindungen zwischen mindestens einem der Statordrähte des Elektromotors und Anschlüssen der Leistungselektronik-Baugruppe zu ermöglichen.
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Vorzugsweise sind der mindestens eine Anschlussdraht des Leistungsverbrauchers und zugehörige Anschlüsse der Leistungselektronik-Baugruppe mittels Leiterstreifen der Leistungselektronik-Baugruppe verbunden.
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Weiter vorzugsweise sind der mindestens eine Anschlussdraht des Leistungsverbrauchers und zugehörige Leiterstreifen durch Verschweißen miteinander verbunden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Leistungselektronik-Baugruppe auf: mindestens ein Substrat,
mindestens ein Bauelement, das auf der von der Trägerplatte abgewandten Seite des mindestens einen Substrats angebracht ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das mindestens eine Substrat ein Direct-Bonded-Copper-Substrat, das auf der der Trägerplatte zugewandten Seite eine erste Kupferbeschichtung aufweist, wobei über die erste Kupferbeschichtung der erste thermische Kontakt zur Trägerplatte ausgebildet ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das mindestens eine Substrat ein Direct-Bonded-Copper-Substrat, das auf der von der Trägerplatte zugewandten Seite eine zweite Kupferbeschichtung aufweist, auf der mindestens ein Bauelement angelötet ist.
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Vorzugsweise weist das Direct-Bonded-Copper-Substrat eine Keramikplatte sowie beidseitig auf der Keramikplatte aufgebrachte Kupferbeschichtungen auf.
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Es ist von Vorteil, wenn die Trägerplatte als Stanzteil ausgebildet ist.
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Vorzugsweise besteht die Trägerplatte überwiegend oder vollständig aus Metall. Weiter vorzugsweise besteht die Trägerplatte überwiegend oder vollständig aus Kupfer und/oder Aluminium.
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Vorzugsweise besteht die Trägerplatte überwiegend oder vollständig aus Aluminium und weist an der der Leistungselektronik-Baugruppe zugewandten Seite eine Kupferbeschichtung auf.
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Weiter vorzugsweise besteht die Trägerplatte überwiegend oder vollständig aus Aluminium und weist auf beiden Seiten eine Kupferbeschichtung auf.
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Es ist von Vorteil, wenn zwischen der Trägerplatte und der mindestens einen Wärmeableitstelle der Leistungselektronik-Baugruppe eine Lötverbindung vorgesehen ist, die den ersten thermischen Kontakt ganz oder teilweise herstellt.
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Vorzugsweise ist zwischen der Trägerplatte und der mindestens einen Wärmeableitstelle der Leistungselektronik-Baugruppe eine Schicht aus Wärmeleitpaste oder Wärmeleitkleber vorgesehen, die den ersten thermischen Kontakt ganz oder teilweise herstellt.
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Weiter vorzugsweise ist zwischen der Trägerplatte und dem Kühlkörper eine Schicht aus Wärmeleitpaste oder Wärmeleitkleber vorgesehen, die den zweiten thermischen Kontakt ganz oder teilweise herstellt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Trägerplatte mit dem Kühlkörper mittels einer Verschweißung verbunden, die den zweiten thermischen Kontakt ganz oder teilweise herstellt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Baueinheit eine Steuereinheit. Vorzugsweise ist die Steuereinheit dazu ausgelegt, die Leistungselektronik-Baugruppe und/oder den Leistungsverbraucher zu steuern. Vorzugsweise umfasst die Steuereinheit eine Steuerelektronik. Beispielsweise kann die Steuereinheit einen Microcontroller umfassen. Weiter vorzugsweise umfasst die Steuereinheit eine Leiterplatte, auf der die Leistungselektronik angebracht ist.
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Vorzugsweise weist die Steuereinheit mindestens eine Ausnehmung auf, durch die mindestens einer der Anschlussdrähte des Leistungsverbrauchers geführt ist.
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Vorzugsweise weist die Baueinheit eine Elektronikbaugruppe auf, die die Trägerplatte, die Leistungselektronik-Baugruppe sowie die Steuereinheit umfasst.
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Weiter vorzugsweise sind die Komponenten der Elektronikbaugruppe vorab zu einer Vorbaugruppe zusammenfügbar, die in ihrer Gesamtheit in den Leistungsverbraucher einbaubar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Kühlkörper um einen Kühlkörper für Luftkühlung.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Kühlkörper um einen Kühlkörper für Flüssigkeitskühlung.
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Es ist von Vorteil, wenn der Kühlkörper ein Deckelelement umfasst, das entlang mindestens einer Linie direkt mit der Trägerplatte verschweißt ist, wobei zwischen dem Deckelelement und der Trägerplatte mindestens ein Kühlkanal für ein Kühlmittel ausgebildet ist, der durch die entlang der mindestens einen Linie ausgebildeten Schweißnähte begrenzt ist.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Kühlkörper um einen zweiteiligen Kühlkörper, der einen Kühlkörperdeckel und ein Kühlkörperinlay umfasst, wobei zwischen dem Kühlkörperdeckel und dem Kühlkörperinlay mindestens ein Kühlkanal für ein Kühlmittel ausgebildet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Leistungsverbraucher in einem Gehäuse aufgenommen und die Baueinheit weist ein Basisteil auf, das mit dem Gehäuse verbindbar ist oder an das Gehäuse einstückig angeformt ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Baueinheit eine Elektronikbaugruppe auf, die die Trägerplatte, die Leistungselektronik-Baugruppe sowie eine Steuereinheit umfasst, wobei die Komponenten der Elektronikbaugruppe vorab zu einer Vorbaugruppe gefügt werden und die Vorbaugruppe in ihrer Gesamtheit dann an dem Leistungsverbraucher angebracht wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Baueinheit eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit, die Gesamtheit aus der Leistungselektronik-Baugruppe und der Trägerplatte sowie der Kühlkörper nacheinander an dem Leistungsverbraucher angebracht werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Baueinheit des Stands der Technik, die eine Mehrzahl von DBC-Substraten und einen Kühlkörper umfasst;
- 2 eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Trägerplatte auf die DBC-Substrate aufgebracht ist;
- 3 eine erste Montagefolge für das Zusammenfügen der Baueinheit;
- 4 eine zweite Montagefolge für das Zusammenfügen der Baueinheit, wobei die Elektronikbaugruppe vorab montiert wird;
- 5 eine erste Variante der Wasserkühlung mit einem zweiteiligen Kühlkörper;
- 6 eine zweite Variante einer Wasserkühlung, bei der die Trägerplatte als Teil des Kühlmittelkanals dient;
- 7 ein Schrägbild einer Baueinheit, bei der eine Kühlmittelkühlung gemäß der zweiten Variante realisiert ist.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Bei einer Vielzahl von elektronischen Anwendungen ist es erforderlich, die Leistungselektronik-Baugruppe mit Flüssigkeit, beispielsweise Kühlwasser, oder Luft zu entwärmen. Hierzu werden meist Kühlkörper aus Aludruckguss verwendet, an die dann die Elektronikkomponenten direkt angebunden werden. Eine derartige Lösung des Stands der Technik ist in 1 gezeigt.
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In 1 ist eine Baueinheit des Stands der Technik gezeigt, die eine Mehrzahl von Direct-Bonded-Copper (DBC)-Substraten 1 mit darauf gelöteten Leistungselektronikbauteilen 2 umfasst, beispielsweise MOSFETs oder IGBTs. DBC-Substrate weisen eine Keramikplatte auf, wobei sowohl an der einem Kühlkörper zugewandten Seite der Keramikplatte als auch an der vom Kühlkörper abgewandten Seite eine Kupferbeschichtung auf die Keramikplatte aufgebracht ist. An der vom Kühlkörper abgewandte Kupferschicht werden die Leistungselektronikbauteile 2 aufgelötet. Die dem Kühlkörper zugewandte Kupferschicht dient der Entwärmung.
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In 1 sind außerdem zwei verschiedene Kühlkörper gezeigt, ein Kühlkörper für Luftkühlung 3 sowie ein Kühlkörper 4 für Kühlmittelkühlung. Die DBC-Substrate werden üblicherweise über eine Schicht aus Wärmeleitpaste bzw. -kleber mit dem jeweiligen Kühlkörper 3 oder 4 verbunden. Da die Kühlkörper 3 und 4 üblicherweise eine relativ komplizierte Formgebung haben, eignen sich diese in der Regel nicht, um z.B. DBC-Substrate 1 mit darauf gelöteten Leistungselektronikbauteilen 2 direkt am Kühlkörper anzulöten, da die Schnittstellenfläche zu den DBC-Substraten 3 aus Kupfer bestehen müsste und der ganze Körper im Lötprozess durchgewärmt werden muss. Aufgrund der hohen Wärmekapazität der Kühlkörper 3 und 4 würden hierzu große thermische Energien benötigt bzw. die Bauteile müssten zu lange unzulässig hohen Temperaturen ausgesetzt werden.
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Daher ist es erforderlich, die thermische Anbindung über eine Schicht aus Wärmeleitpaste durchzuführen. Die direkte Anbindung der DBC-Substrate 1 an den jeweiligen Kühlkörper 3 und 4 macht es darüber hinaus erforderlich, dass die Montage bereits bei der Elektronikfertigung erfolgt.
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Die in 1 gezeigte Baueinheit des Stands der Technik umfasst außerdem eine Steuereinheit 5, ein Basisteil 6, das beispielsweise an einem Leistungsverbraucher wie beispielsweise einem Elektromotor angebracht ist, sowie weitere Komponenten 7. Die Steuereinheit 5 umfasst eine Steuerelektronik. Beispielsweise kann die Steuereinheit 5 einen Microcontroller umfassen.
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Es stellt sich die Aufgabe, wie elektrische Verbindungen zwischen den Anschlussdrähten der Leistungsverbrauchers, beispielsweise den Statordrähten eines Elektromotors, und der Leistungselektronik hergestellt werden. Hierzu sind bei der in 1 gezeigten Lösung Verbinderelemente 8 vorgesehen, welche zum einen die Statordrähte ankontaktieren und darüber hinaus auch Verbindungen zu den DBC-Substraten 1 und zur Steuereinheit 5 herstellen. Eine direkte Kontaktierung der Statordrähte durch die Leistungselektronik ist bei der in 1 gezeigten Lösung nicht möglich. Da beim Fügen der mit dem Kühlkörper versehenen Elektronikbaugruppe zum Motor das Erzeugnis verschlossen wird, ist die Zugänglichkeit für eine direkte Kontaktierung der Statordrähte zur Leistungselektronik nicht gegeben, hierzu müssten separate Öffnungen eingebracht werden, die nachträglich wieder verschlossen werden müssten. Das heißt, es müssen zusätzliche elektrische Schnittstellen zwischen Motor und Leistungselektronik eingebaut werden, um ein blindes Fügen zu ermöglichen, üblicherweise Klemmverbindungen.
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Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen demgegenüber einen Wertstrom, bei dem die Leistungselektronik zuerst an eine Trägerplatte angebracht wird und der Kühlkörper erst danach aufgesetzt wird bzw. danach aus Trägerplatte und einem Zusatzbauteil gebildet wird.
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In 2 ist eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt. An einem Elektromotor 9 ist ein Basisteil 10 angebracht, in dem die Elektronikbaugruppe aufgenommen ist. An dem Basisteil 10 ist außerdem ein Steckeranschluss 11 vorgesehen. Bei den Ausführungsformen der Erfindung kommt eine Trägerplatte 12 zum Einsatz, wobei die zu kühlende Leistungselektronik-Baugruppe, die im Beispiel von 2 eine Mehrzahl von DBC-Substraten 13 sowie die darauf angeordneten Bauelemente umfasst, unterhalb der Trägerplatte 12 in direktem thermischen Kontakt mit der Trägerplatte 12 angeordnet ist. Die Trägerplatte 12 kann beispielsweise vollständig oder weitgehend aus wärmeleitfähigem Material bestehen, beispielsweise aus Metall. Vorzugsweise besteht die Trägerplatte 12 vollständig oder weitgehend aus Kupfer und/oder Aluminium. Da die Trägerplatte 12 in 2 transparent dargestellt ist, sind die darunter angeordneten DBC-Substrate 13 in 2 zu erkennen. In der Ausführungsform von 2 ist außerdem zu erkennen, dass sich die Statordrähte 14 des Elektromotors 9 durch das Basisteil 10 hindurch in die Elektronikbaugruppe hinein erstrecken. Dabei sind die Statordrähte 14 vorzugsweise einstückig mit den Wicklungsdrähten der mindestens einen Statorspule des Elektromotors. Beispielsweise ist der Wicklungsdraht aus der mindestens einen Statorspule des Elektromotors herausgeführt.
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Die Trägerplatte 12 weist eine Mehrzahl von Ausnehmungen 15 auf, die einen Zugang zu den Statordrähten 14 ermöglichen. Über die Ausnehmungen 15 wird eine direkte elektrische Kontaktierung zwischen der Leistungselektronik-Baugruppe und den Statordrähten 14 ermöglicht. Beispielsweise können die Anschlüsse der DBC-Substrate 13 über Leiterstreifen 16 mit den Statordrähten 14 verbunden werden. Die Endbereiche der Leiterstreifen 16 der Leistungselektronik-Baugruppe können dann über die Ausnehmungen 15 mit den Statordrähten 14 verschweißt werden. Dabei kann die Verschweißung erfolgen, sobald die Leistungselektronik an den Elektromotor 9 verbaut ist. Auf diese Weise wird eine direkte elektrische Kontaktierung zwischen der Leistungselektronik-Baugruppe und den Statordrähten 14 vorgenommen.
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Nach dem Ausbilden der direkten elektrischen Verbindung zwischen der Leistungselektronik-Baugruppe und den Statordrähten 14 wird der jeweilige Kühlkörper (in 2 nicht gezeigt) auf die Trägerplatte 12 aufgesetzt, wobei zwischen der Trägerplatte 12 und dem Kühlkörper ein zweiter thermischer Kontakt ausgebildet wird. Als Kühlkörper kann sowohl ein Kühlkörper für Luftkühlung als auch ein Kühlkörper für Kühlmittelkühlung verwendet werden. Der thermische Kontakt zwischen der Trägerplatte 12 und dem Kühlkörper kann beispielsweise über eine Schicht aus Wärmeleitpaste oder -kleber erfolgen. Darüber hinaus kann der Kühlkörper auch mit der Trägerplatte 12 verschweißt werden, beispielsweise mittels einer umlaufenden Schweißnaht.
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Gemäß den Ausführungsformen der Erfindung kommt die Trägerplatte 12 zum Einsatz, auf der die Elektronikkomponenten der Leistungselektronik, beispielsweise die DBC-Substrate 13, direkt aufgebracht sind. Weiterhin wird eine elektrische Kontaktierung der Statordrähte 14 ermöglicht, die oberhalb der Trägerplatte 12 erfolgen kann, sobald die Elektronikbaugruppe an den Elektromotor 9 verbaut ist und bevor der Kühlkörper das Erzeugnis verschließt, siehe 2. Hierzu umfasst die Leistungselektronik-Baugruppe lediglich ein zusätzliches Element, zum Beispiel den Leiterstreifen 16 oder Bond.
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Im Vergleich zu der in 1 gezeigten Lösung des Stands der Technik bieten die Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung eine Reihe von Vorteilen. Ein Vorteil ist, dass eine direkte elektrische Kontaktierung zwischen der Leistungselektronik-Baugruppe und den Statordrähten bereitgestellt wird. Insbesondere ermöglicht der Aufbau eine Schweißverbindung von den Statordrähten 14 zu den Leiterstreifen 16 der Leistungselektronik-Baugruppe über der größtenteils geschlossenen Elektronik, so dass die Gefahr von Schmutzeintrag und Kurzschlüssen verringert wird. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist das Ermöglichen eines höheren Integrationsgrades der Elektronik in den Motor, wodurch sich Bauteile und Schnittstellen reduzieren lassen und damit auch die Gesamtkosten reduziert werden können.
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Darüber hinaus erzeugt der Aufbau logistische und ökonomische Vorteile. Insbesondere ermöglicht es der Einsatz der Trägerplatte, dass bei der Elektronikfertigung eine immer gleiche Elektronikbaugruppe hergestellt wird und diese dann flexibel für unterschiedliche Applikationen eingesetzt werden kann. Da die Elektronikfertigung üblicherweise in einem anderen Werk als die Motorenfertigung geschieht, ergeben sich logistische und ökonomische Vorteile durch geringere Variantenanzahl. Beispielsweise ist das Powerpack wassergekühlt und luftgekühlt ausführbar, mit nur wenigen Wechselteilen. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Montagereihenfolge weitestgehend in einer Richtung ohne Drehung der Unterbaugruppen im Linienaufbau erfolgen kann.
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Darüber hinaus ermöglichen die Ausführungsformen der Erfindung eine bessere Entwärmung der Leistungselektronik-Baugruppe. So ist ein Anlöten der DBC-Substrate 13 an der Trägerplatte 12 möglich, was eine bessere Entwärmung als beim standardmäßigen Kleben unter Verwendung von Wärmeleitpaste zur Folge hat. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Trägerplatte 12 als Wärmeverteiler („heat spreader“) eingesetzt werden kann. Noch ein weiterer Vorteil ist, dass der Aufbau eine Schweißverbindung und somit ein direkter stofflicher Wärmeübergang zwischen der Trägerplatte 12 und dem Deckel mit Kühlgeometrie ermöglicht wird.
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Im Folgenden werden anhand von 3 und 4 zwei unterschiedliche Montagefolgen erläutert, die je nach Projektansatz vorteilhaft sind. 3 zeigt eine Aufbauvariante, bei der die Elektronikkomponenten direkt in den Motor gebaut werden. Auf den Elektromotor, der aus den Motorkomponenten 17 aufgebaut ist, wird das Basisteil 10 aufgesetzt, wobei sich die Statordrähte 14 ins Innere des Basisteils 10 erstrecken. Der Elektromotor kann ein Gehäuse aufweisen, wobei das Basisteil 10 mit dem Gehäuse verbunden werden kann. Alternativ dazu könnte das Basisteil 10 an das Gehäuse des Elektromotors einstückig angeformt sein. An dem Basisteil 10 wird der Steckeranschluss 11 angebracht. Daraufhin werden die Steuereinheit 18 sowie weitere Komponenten 19 in das Basisteil 10 eingebracht. Die Steuereinheit 18 umfasst eine Steuerelektronik. Beispielsweise kann die Steuereinheit 18 einen Microcontroller umfassen. In dem in 3 gezeigten Beispiel umfasst die Steuereinheit 18 eine Leiterplatte, auf der die Steuerelektronik angebracht ist. Die Steuereinheit 18 kann darüber hinaus eine oder mehrere Ausnehmungen für die Statordrähte 14 aufweisen.
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Die Trägerplatte 12 wird mit den DBC-Substraten 13 und den daran angebrachten Leistungsbauteilen in Richtung des Pfeils 20 zusammengefügt, wobei ein erster thermischer Kontakt zwischen den Wärmeableitstellen der DBC-Substrate 13 und der Trägerplatte 12 hergestellt wird. Die an der Trägerplatte 12 angebrachten DBC-Substrate 13 einschließlich der daran aufgebrachten Bauelemente bilden die Leistungselektronik-Baugruppe. Vorzugsweise besteht die Trägerplatte 12 überwiegend oder vollständig aus Metall. Beispielsweise kann die Trägerplatte 12 überwiegend oder vollständig aus Kupfer und/oder Aluminium bestehen. Bei der Trägerplatte 12 handelt es sich vorzugsweise um ein Stanzteil, beispielsweise um ein Stanzteil aus Aluminium oder Kupfer.
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Vorzugsweise wird die Verbindung zwischen den DBC-Substraten 13 und der Trägerplatte 12 durch Verlöten hergestellt. Eine Verlötung ist dann möglich, wenn die Trägerplatte 12 an ihrer den DBC-Substraten 13 zugewandten Oberfläche Kupfer aufweist. Dies kann erreicht werden, indem die Trägerplatte 12 aus Kupfer oder kupferbeschichtetem Aluminium besteht. Alternativ dazu könnte der thermische Kontakt zwischen den DBC-Substraten 13 und der Trägerplatte 12 mittels einer Schicht aus Wärmeleitpaste oder Wärmeleitkleber hergestellt werden.
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In der weiteren Montagefolge werden zunächst Verbinderelemente 22 und anschließend die Trägerplatte 12 zusammen mit der daran angebrachten Leistungselektronik-Baugruppe in das Basisteil 10 eingebracht. Dabei sind die Verbinderelemente 22 dazu ausgebildet, elektrische Verbindungen zwischen der Leistungselektronik-Baugruppe und der Steuereinheit 18 herzustellen. Die Steuereinheit 18 ist vorzugsweise dazu ausgelegt, die Leistungselektronik-Baugruppe und/oder den Leistungsverbraucher zu steuern.
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Beim Aufbringen der Trägerplatte 12 und der Leistungselektronik-Baugruppe auf das Basisteil 10 erstrecken sich Statordrähte 14 des Elektromotors in die Leistungselektronik-Baugruppe hinein. Über die Ausnehmungen 15 der Trägerplatte 12 werden im nächsten Schritt elektrische Verbindungen zwischen mindestens einem der Statordrähte 14 und Anschlüssen der DBC-Substrate 13 hergestellt. Dies kann beispielsweise mittels der Leiterstreifen 16 erfolgen, die mit den Statordrähten 14 verschweißt werden.
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Im nächsten Schritt wird ein Kühlkörper auf die Trägerplatte 12 aufgebracht, wobei wahlweise ein Kühlkörper für Luftkühlung 23 oder ein Kühlkörper für Kühlmittelkühlung 24 auf die Trägerplatte 12 aufgebracht werden kann. Zwischen der Trägerplatte 12 und dem Kühlkörper wird ein zweiter thermischer Kontakt ausgebildet. Hierzu kann beispielsweise eine Schicht von Wärmeleitkleber oder Wärmeleitpaste zwischen dem jeweiligen Kühlkörper 23 oder 24 und der Trägerplatte 12 vorgesehen werden. Außerdem ist es beispielsweise auch möglich, den jeweiligen Kühlkörper 23 oder 24 mit der Trägerplatte 12 zu verschweißen.
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In 4 ist eine alternative Aufbauvariante gezeigt, bei der zuerst die gesamte Elektronikbaugruppe montiert wird, bevor sie in das Basisteil des Motors eingesetzt wird. In 4 entsprechen das Basisteil 10, der Steckeranschluss 11, die Motorkomponenten 17, die Statordrähte 14, der Kühlkörper für Luftkühlung 23 und der Kühlkörper für Kühlmittelkühlung 24 den in 3 gezeigten Komponenten.
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Zum Zusammenbau der Elektronikbaugruppe 25 werden die DBC-Substrate 26 mit den darauf befindlichen Bauelementen gemäß dem Pfeil 27 an der Trägerplatte 28 angebracht, wobei ein erster thermischer Kontakt zwischen den DBC-Substraten 26 und der Trägerplatte 28 ausgebildet wird. Die DBC-Substrate 26 einschließlich der daran aufgebrachten Bauelemente bilden eine Leistungselektronik-Baugruppe. Vorzugsweise werden die DBC-Substrate 26 mit der Trägerplatte 28 verlötet. An der Trägerplatte 28 können weitere Komponenten 30 angebracht werden, außerdem kann auf die Leistungsbauelemente eine Abdeckung 31 aufgebracht werden. Darüber hinaus umfasst die Elektronikbaugruppe 25 Verbinderelemente 32 sowie eine Steuereinheit 33, die eine Steuerelektronik umfasst. Die Verbinderelemente 32 sind dazu ausgebildet, elektrische Verbindungen zwischen der Leistungselektronik-Baugruppe und der Steuereinheit 33 herzustellen.
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Nach dem Zusammenbau wird die Elektronikbaugruppe 25 in ihrer Gesamtheit in das Basisteil 10 eingesetzt. Dabei erstrecken sich die Statordrähte 14 des Elektromotors in die Elektronik-Baugruppe 25 hinein. Mit Hilfe der Ausnehmungen 34 in der Trägerplatte 28 können dann direkte elektrische Verbindungen zwischen den Statordrähten 14 und den Anschlüssen der DBC-Substrate 26 hergestellt werden. Anschließend kann wahlweise der Kühlkörper für Luftkühlung 23 oder der Kühlkörper für Kühlmittelkühlung 24 auf die Trägerplatte 28 aufgebracht werden, wobei zwischen der Trägerplatte 28 und dem jeweiligen Kühlkörper 23 oder 24 ein zweiter thermischer Kontakt ausgebildet wird, beispielsweise über eine Schicht aus Wärmeleitpaste oder Wärmeleitkleber und/oder durch eine Verschweißung.
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Die Trägerplatte dient in den Aufbauten von 3 und 4 als Transportelement für die DBC-Elektronik, aber auch als tragendes Strukturelement, um Betriebs- und Montagekräfte aufzunehmen. Die hier dargestellte, besonders kostengünstige Variante sieht als Trägerplatte ein Stanzteil vor, das z.B. aus Aluminium oder Kupfer hergestellt sein kann.
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Für das Beispiel einer Flüssigkeitskühlung lassen sich prinzipiell zwei Arten der Anbindung der Trägerplatte an das Kühlmedium gestalten, die in den 5, 6 und 7 gezeigt sind. In der Ausführungsform von 5 ist das DBC-Substrat 13 über eine erste TIM-Schicht 35 an die Trägerplatte 12 angebunden, wobei TIM für „thermal interface material“ steht. Auf das DBC-Substrat 13 ist ein Feldeffekttransistor 36 aufgelötet. Dieser Feldeffekttransistor 36 steht über eine elektrische Verbindung 37 mit einem weiteren Kupferbereich 38 des DBC-Substrats 13 in Verbindung. Das DBC-Substrat 13 bildet zusammen mit den darauf aufgebrachten Bauelementen und Verbindungen eine Leistungselektronik-Baugruppe 39.
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Bei der in 5 gezeigten Lösung erfolgt die Anbindung der Trägerplatte 12 an einen zweiteiligen Kühlkörper 40 über eine zweite TIM-Schicht 41, wobei TIM für „thermal interface material“ steht. Im Beispiel von 5 handelt es sich bei der zweiten TIM-Schicht 41 um eine Schicht aus Wärmeleitpaste. Der zweiteilige Kühlkörper 40 umfasst ein Kühlkörperinlay 42, das unmittelbar an die TIM-Schicht 41 angebunden ist, sowie einen Kühlkörperdeckel 43, wobei zwischen dem Kühlkörperinlay 42 und dem Kühlkörperdeckel 43 ein Kühlmittelkanal 44 ausgebildet ist.
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In einer besonders vorteilhaften Variante kann die Verbindung des DBC-Substrats 13 mit der Trägerplatte 12 mittels Löten erfolgen, was einen geringeren thermischen Widerstand aufweist im Vergleich zu Wärmeleitpasten oder -kleber. Durch das Aufspreizen des Wärmeflusses vor der zweiten TIM-Schicht 41 ist in dieser Konfiguration eine Senkung des thermischen Gesamtwiderstands möglich im Vergleich zur Standardvariante gemäß Stand der Technik. Dieser Lötprozess wird dadurch ermöglicht, dass die Trägerplatte 12 ein internes, flaches Bauteil ist, das an der Oberfläche Kupfer aufweisen kann, beispielsweise durch Verwendung von Kupfer für die Trägerplatte 12 oder durch beispielsweise kupferbeschichtetes Aluminium.
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In den 6 und 7 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei der die Trägerplatte 45 als Teil des Kühlmittelkanals ausgebildet ist. Dabei wird die Trägerplatte 45 mittels Laserschweißen über linienförmige Schweißnähte 46 mit dem Deckelelement 47 verbunden. Dadurch wird zwischen der Trägerplatte 45 und dem Deckelelement 47 ein Kühlmittelkanal 48 ausgebildet, der seitlich durch die Schweißnähte 46 begrenzt wird. Die Trägerplatte 45 ist hier Teil des Kühlmittelkanals 48. Das DBC-Substrat 49 ist über eine TIM-Schicht 50 an die Trägerplatte 45 angebunden. An das DBC-Substrat 49 ist ein Feldeffekttransistor 51 aufgelötet, der über eine elektrische Verbindung 52 mit einem weiteren Kupferbereich 53 des DBC-Substrats 49 verbunden ist. Bei der TIM-Schicht 50 kann es sich entweder um eine Schicht aus Wärmeleitpaste oder -kleber oder aber um eine Verlötung handeln. Das DBC-Substrat 49 bildet zusammen mit den darauf aufgebrachten Bauelementen und Verbindungen eine Leistungselektronik-Baugruppe 54.
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In 7 ist die in 6 gezeigte Ausführungsform im Schrägbild gezeigt, wobei das Basisteil 10, das Deckelelement 47 sowie der Kühlmittelkanal 48 zu erkennen sind. Durch das bereichsweise transparent dargestellte Deckelelement 47 hindurch sind in den Ausnehmungen 55 die Statordrähte 14 zu erkennen, die mit den Leiterstreifen 16 verschweißt sind.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.