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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Elektronikmodule für einen Elektroantrieb.
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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. Ein prominentes Beispiel für solche Elektronikmodule stellen DC/AC-Wechselrichter (Inverter) dar, die dazu dienen, elektrische Maschinen wie Elektromotoren oder Generatoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Zu diesem Zweck umfassen die Elektronikmodule eine Vielzahl von Elektronikbauteilen, mit denen Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) realisiert werden, beispielsweise Halbleiterleistungsschalter, die auch als Leistungshalbleiter bezeichnet werden.
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Die Verknüpfung von mikroelektronischen und nichtelektronischen Mikrokomponenten zum vollständigen System erfordert bei den Elektronikmodulen, insbesondere Wechselrichtern, in der Regel den Einsatz der sogenannten Aufbau- und Verbindungstechnik. Es handelt sich hierbei um ein aufwändiges Verfahren, welches hohe Kosten für die Herstellung von Wechselrichtern verursacht. Um den Herstellungsaufwand zu reduzieren und zugleich eine hinreichend hohe Leistungsdichte zu erreichen, werden bei etablierten Halbleitermaterialien (z. B. Silizium) daher Rahmenmodule eingesetzt.
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Derartige Rahmenmodule sind jedoch nicht beim Einsatz von neuartigen Halbleitern mit breitem Bandabstand (Wide-Bandgap) wie Siliziumcarbid (SiC) oder Gallium-Nitrid (GaN) gleichermaßen verfügbar wie bei den etablierten Halbleitern. Dies führt zu einer verstärkten Abhängigkeit von einer kleinen Anzahl von Lieferanten derartiger Rahmenmodule, sodass unter Umständen mit Lieferknappheit oder erhöhten Preisen gerechnet werden muss. Gerade für Serienproduktion mit großer Stückzahl sind Rahmenmodule aus diesen Gründen nachteilig, zumal große Rahmenmodule den zusätzlichen Nachteil der schlechten Skalierbarkeit des Ausgangsstroms aufweisen.
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Zur Umgehung der oben erwähnten Probleme wurde ein Verfahren entwickelt, das auf dem Fachgebiet als Discrete Powerswitch Packaging bekannt ist. Bei diesem Verfahren wird der Strom ausgehend vom Batterieanschluss des Wechselrichters an einen Zwischenkreis-Kondensator geleitet.
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In bisher bekannten Anordnungen sind Leistungshalbleiter, also Halbleiterleistungsschalter in Form von High-Side bzw. Low-Side Schalter HS bzw. LS, die zusammen eine Halbbrücke bilden, ausgehend von dem Zwischenkreis-Kondensator hintereinander angeordnet. Das heißt, sie sind nicht nebeneinander angeordnet, sondern liegen sich mit ihren elektrischen Kontaktanschlüssen, an denen der AC-Strom abgenommen wird, gegenüber, so dass z.B. der elektrische Kontaktanschluss des HS näher am Zwischenkreis ist als der des LS.
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Bei dieser Anordnung gibt es mehrere Nachteile. Einer davon ist, dass die elektrische Kommutierung im DC-Bereich aufgrund der unterschiedlichen Länge der Strompfade des HS und des LS nicht symmetrisch ist. Diese unsymmetrische Anordnung führt zu einer weiträumigen Kommutierungszelle, die mit erhöhten Streuinduktivitäten behaftet ist und bei der sich das Schaltverhalten der Leistungshalbleiter verschlechtert. Ein weiterer Nachteil ist, dass der Inverter bei einer Vergrößerung der Anzahl paralleler Module jeweils um die Anzahl der parallelen Module (Mal der elektrischen Phasen) in einer Dimension, der Länge x, wächst. Außerdem erfordert dieser serielle Aufbau der Leistungsschalter ein kompliziertes Konzept zum Einkoppeln des DC-Stroms aus der Energiequelle und zum Auskoppeln des AC-Stroms an die E-Maschine (etwa den Elektromotor). Beispielsweise kann ein mehrdimensionales Busbarkonzept nötig sein, woraus eine erhöhte Anforderung an die Busbar-Querschnitte resultiert, um die benötigten Ströme zu tragen. Das heißt auch, dass die AC-Verschienung für die Phasen an den Enden des Inverters sehr lang werden, und dass die DC-Verschienung nicht niederinduktiv geführt werden kann. Außerdem müssen alle Module in Reihe nacheinander gekühlt werden, womit das letzte Modul eine deutlich höhere Kühlwassertemperatur an seinem Eingang aufweist. Somit kann es nicht so stark belastet werden, da die Temperaturdifferenz zwischen den Leistungshalbleitern und dem Kühlwasser geringer ist. Dies kann zu einer künstlichen Einschränkung der Gesamtleistung des Inverters führen.
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In einer alternativen, von der Anmelderin vorgeschlagenen Anordnung sind die beidseitig kontaktierten Leistungshalbleiter HS bzw. LS benachbart zueinander um den Zwischenkreis angeordnet. Ihre eingangsseitigen elektrischen Kontaktanschlüsse weisen zum Zwischenkreis. Somit wird eine kürzere Kommutierungszelle und eine niederinduktive DC-Verschienung erreicht. Nachteilig ist hierbei, dass eine im Wesentlichen quadratische Form entsteht, die nicht in einfacher Weise in einen üblicherweise vorgesehenen länglichen Bauraum integrierbar ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Inverteraufbau bereitzustellen, bei dem die oben beschriebenen Nachteile zumindest teilweise überwunden sind.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Inverteraufbau eines Elektronikmoduls und die Verwendung eines solchen Elektronikmoduls mit dem Inverteraufbau in einem Fahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Vorgeschlagen wird ein Inverteraufbau eines Elektronikmoduls für einen Elektroantrieb eines Fahrzeugs. Der Inverter weist mindestens eine entlang einer ersten Achse angeordnete Stromphase, auch lediglich als Phase bezeichnet, und je Stromphase einen (ebenfalls entlang der ersten Achse angeordneten) eingangsseitigen positiven Stromanschluss und einen eingangsseitigen negativen Stromanschluss zum Einkoppeln eines mittels einer Energiequelle erzeugten positiven bzw. negativen DC-Eingangsstroms auf. Die Stromphase(n) sind zum Auskoppeln eines basierend auf dem DC-Eingangsstrom erzeugten AC-Ausgangsstroms vorgesehen, der von einer halbleiterbasierten Brückenschaltung erzeugt wird. Außerdem ist (bezogen auf den eingangsseitigen Stromanschluss) ein zur Brückenschaltung parallelgeschalteter Zwischenkreis mit mindestens einem Kondensator, sowie mindestens ein zwischen Zwischenkreis und halbleiterbasierter Brückenschaltung angeordneter Kühlkörper vorgesehen. Somit liegt die halbleiterbasierte Brückenschaltung auf dem Kühlkörper auf.
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Ferner weist die halbleiterbasierte Brückenschaltung je Stromphase mindestens eine Halbbrücke auf, die gebildet ist aus jeweils einem High-Side-Schalter HS und einem dem High-Side-Schalter gegenüberliegend angeordneten und parallel dazu geschalteten Low-Side-Schalter LS, und wobei jede der Stromphasen zwischen den zugehörigen High-Side-Schaltern und Low-Side-Schaltern und auf dem Kühlkörper angeordnet ist und jeder High-Side-Schalter und jeder Low-Side-Schalter über jeweils einen ersten elektrischen Kontaktanschluss direkt mit der Stromphase elektrisch verbunden ist.
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In einer Ausführung sind zwei oder drei oder ein Vielfaches von zwei oder drei Stromphasen mit je einem Halbleitermodul vorgesehen. Die Stromphasen und damit die Halbleitermodule sind parallel zueinander angeordnet.
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Der erfindungsgemäße Inverteraufbau verringert die Nachteile oben beschriebener, bestehender Anordnungen in mehreren Aspekten. Durch die Anordnung der HS und LS einer Stromphase, d.h. eine Rotation der Richtung, in der die parallelen Leistungshalbleiter HS bzw. LS bisher angeordnet sind, um 90° (y-Achse), wird eine Matrixanordnung bereitgestellt. Hierdurch können in eine Richtung (erste Achse, x-Achse) die Stromphasen verlängert werden, d.h. es kann die Leistung durch Anpassung der Anzahl der Halbbrücken angepasst werden. In die andere Richtung (zweite Achse, y-Achse) kann eine Parallelisierung, also eine Erhöhung der Anzahl der Stromphasen, erfolgen. Somit erfolgt eine Ausdehnung nicht mehr ausschließlich in Längs- bzw. x-Richtung wie bisher, wenn mehrere Leistungshalbleiter HS bzw. LS in einem Modul parallel angeordnet werden. Auch können die HS bzw. LS inklusive Kühlung auf dem Zwischenkreis angeordnet werden und sparen durch diese sandwichartige Bauweise Bauraum.
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Außerdem wird die Stromphase bzw. werden die Stromphasen aufgrund der Anordnung zwischen High-Side-Schalter und Low-Side-Schaltern besser gekühlt, da sie direkt auf dem Kühlkörper aufliegt bzw. aufliegen. Die Anordnung der Stromphase(n) direkt auf dem Kühlkörper, also nicht mehr oberhalb der Bauteile bzw. DC-Verschienung kann die Stromphase für höhere Ströme, also dicker, ausgelegt und auch gleichzeitig gekühlt werden.
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In einer Ausführung ist der Kühlkörper einstückig gebildet und unterhalb aller Halbleitermodule vorgesehen. In einer alternativen Ausführung ist der Kühlkörper mehrteilig derart gebildet, dass ein Kühlkörper je Halbleitermodul vorgesehen ist. Der thermische Nachteil einer seriellen Kühlung mehrerer Stromphasen wird durch eine parallele Kühlung der einzelnen Stromphasen reduziert. Durch eine mehrteilige Ausführung des Kühlkörpers kann eine Kühlung je Stromphase erfolgen. Somit können Module aus einem Halbleitermodul inklusive zugehörigem Kühlkörper bereitgestellt werden, von denen eines oder mehrere parallel zueinander auf dem Zwischenkreis montiert werden können. Somit ist eine modulare Bauweise möglich.
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In einer Ausführung ist der Kondensator des Zwischenkreises als Monolith ausgeführt. In einer alternativen Ausführung ist der Kondensator des Zwischenkreises in ein oder mehrere miteinander elektrisch verbundene Kondensatoren pro Halbleitermodul aufgeteilt. In diesem Fall kann für jede Stromphase ein Kondensatorgehäuse vorgesehen sein, so dass auch hier ein modularer Aufbau möglich ist. Je nach Ausführung kann auch ein einzelnes Gehäuse je Kondensator-Wickel vorgesehen sein.
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In einer Ausführung weist jeder High-Side-Schalter HS und jeder Low-Side-Schalter LS an einer dem ersten elektrischen Kontaktanschluss gegenüberliegenden Seite jeweils einen zweiten elektrischen Kontaktanschluss zur Kontaktierung mit dem zugehörigen eingangsseitigen Stromanschluss auf.
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In einer Ausführung ist sowohl der positive als auch der negative eingangsseitige positive Stromanschluss auf derselben Seite der Stromphase aus dem Zwischenkreis herausgeführt und einer der Stromanschlüsse ist über die Halbbrücke und die Stromphase zur Kontaktierung des zugehörigen High-Side-Schalters oder Low-Side-Schalters geführt. In einer alternativen Ausführung sind der positive und der negative eingangsseitige positive Stromanschluss jeweils auf einer unterschiedlichen Seite der Stromphase angeordnet.
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In einer Ausführung sind mindestens drei Halbbrücken je Halbleitermodul vorgesehen.
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In einer Ausführung sind unterschiedliche Typen an Leistungshalbleitern mit breitem Bandabstand je HS und je LS eines Halbleitermoduls vorgesehen. Somit können unterschiedliche Anforderungen an die Halbleiterschalter, z.B. ein schnelleres Schalten lediglich eines der Halbleiterschalter, besser realisiert werden.
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In einer Ausführung ist jeder High-Side-Schalter an einen Positivkontakt und jeder Low-Side-Schalter an einen Negativkontakt es Zwischenkreises angeschlossen
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Ferner wird die Verwendung eines Elektronikmoduls mit dem Inverteraufbau zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs vorgeschlagen.
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Ferner wird ein Elektronikmodul zur Ansteuerung eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs vorgeschlagen, aufweisend einen Inverter mit einer vorgeschlagenen Schaltungsanordnung oder der Halbbrücke.
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Ferner wird ein Elektroantrieb eines Fahrzeugs mit dem zur Ansteuerung des Elektroantriebs gebildeten Elektronikmodul vorgeschlagen.
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Ferner wird ein Fahrzeug, aufweisend einen Elektroantrieb mit einem Elektronikmodul, vorgeschlagen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Inverteraufbau mit drei Stromphasen AC1-AC3 gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt eine Schnittansicht des in 1 gezeigten Inverteraufbaus.
- 3 zeigt eine Draufsicht auf einen Inverteraufbau mit drei Stromphasen AC1-AC3 gemäß einer alternativen Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 4 zeigt eine Draufsicht auf eine Stromphase eines Inverteraufbaus mit symmetrischen Abgriffen des AC-Stromes gemäß einer alternativen Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine Draufsicht auf einen Inverteraufbau gemäß einer Ausführung gezeigt. 2 zeigt den in 1 gezeigten Inverteraufbau in Schnittansicht.
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In 3 ist eine alternative Ausführung gezeigt, in welcher die eingangsseitigen positiven bzw. negativen Stromanschlüsse DC+ bzw. DC- (DC-Schienen) nicht auf derselben Seite einer Stromphase AC1-AC3 angeordnet sind, sondern auf unterschiedlichen Seiten der Stromphasen AC1-AC3. Der positive eingangsseitige Stromanschluss DC+ ist dabei auf Seite des Low-Side-Schalters LS und der negative eingangsseitige Stromanschluss DC- ist dabei auf Seite des High-Side-Schalters HS angeordnet. Somit werden die Kontaktierungswege verkürzt.
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In 4 ist eine Ausführung gezeigt, bei der zwei symmetrische Abgriffe dargestellt sind (als zwei Kreise auf der Stromphase bzw. AC-Schiene AC1 dargestellt). Ebenso ist ein mittiger Abgriff auf der Stromphase bzw. AC-Schiene AC1 möglich. Hier ist der Übersichtlichkeit halber lediglich eine Stromphase AC1 dargestellt.
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Wie bereits eingangs erwähnt, werden in bisher bekannten Invertern mehrere aus gegenüberliegend angeordneten und beidseitig kontaktierbaren Leistungshalbleitern, also High-Side-Schaltern HS oder Low-Side-Schaltern LS, bestehende Halbbrücken nebeneinander angeordnet, so dass der Inverter eine Länge von insgesamt Anzahl der Stromphasen „mal“ Anzahl der Halbbrücken lang wird. Die Phasenabnahme erfolgt in der Mitte zwischen den beiden Leistungshalbleitern, wobei diese miteinander kontaktiert sind, z.B. verschweißt, und einen gemeinsamen, nach oben weisenden AC-Phasenabgriff aufweisen. Wenn die AC-Schiene (Stromphase AC1-AC3) nicht vorhanden wäre, wären die Leistungshalbleiter dennoch miteinander kontaktiert. Außerdem ist der Zwischenkreis neben einem Teil der Halbleitermodule angeordnet, so dass der weiter von Zwischenkreis angeordnete Leistungshalbleiter, also High-Side-Schalter HS oder Low-Side-Schalter LS, eine größere Leitungslänge aufweisen muss. Nachteilig ist hier, dass die elektrische Kommutierung im DC-Bereich (Eingangsstrom) nicht symmetrisch ist, weil z.B. die „DC+“-Schiene kürzer ist als die „DC-“-Schiene, und dass die „DC-“-Schiene dann über die Leistungshalbleiter geführt werden muss.
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Nachteilig ist hier, dass eine Vergrößerung der Anzahl paralleler Module jeweils um die Anzahl der parallelen Module „mal“ Anzahl der elektrischen Stromphasen in einer Dimension, der Länge x wächst, so dass die AC-Verschienung für die Stromphasen AC1-AC3 an den Enden des Inverters sehr lang wird, und dass die DC-Verschienung nicht niederinduktiv geführt werden kann. Solche Elektronikmodule sind zwar flach, benötigen aber eine relativ große Fläche.
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Alternativ zu dieser Lösung wurde bereits vorgeschlagen, die elektrisch beidseitig kontaktierbaren Leistungshalbleiter in Reihe um den Zwischenkreiskondensator anzuordnen, was zu einer optimierten Kommutierung gegenüber dem vorher beschriebenen Ansatz führt, aber den Nachteil einer sehr quadratischen Form hat, die häufig nicht in den verfügbaren Bauraum passt.
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Nachteilig an allen bekannten Anordnungen ist außerdem, dass alle Module in Reihe nacheinander gekühlt werden, womit das letzte Modul eine deutlich höhere Kühlwassertemperatur an seinem Eingang hat und somit nicht so stark belastet werden kann, da die Temperaturdifferenz zwischen Halbleiterschaltern und dem Kühlwasser geringer ist. Dies kann zu einer künstlichen Einschränkung der Gesamtleistung des Inverters führen.
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Der erfindungsgemäße Inverteraufbau gleicht die Nachteile bestehender Anordnungen in der wachsenden Länge des Inverters durch Bereitstellen einer (bei mehreren Stromphasen AC1-AC3 entstehenden) Matrixanordnung aus. Hierbei erfolgt eine Rotation der Richtung, in der die parallelen Leistungshalbleiter, also High-Side-Schalter HS und Low-Side-Schalter LS, angeordnet sind, um 90° (y-Achse). Somit geschieht eine Erhöhung der Zahl der parallelen Leistungshalbleiter, also High-Side-Schalter HS und Low-Side-Schalter LS, zur Leistungserhöhung nicht in der Achse der parallelen Stromphasen. Vorzugsweise sind alle HS der Halbbrücken jeweils an einen Positivkontakt DC+ und alle LS der Halbbrücken jeweils an einen Negativkontakt DC- des Zwischenkreises 14 angeschlossen.
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Durch die Anordnung der Stromphase(n) AC1-AC3 zwischen den High-Side-Schaltern HS und den Low-Side-Schaltern LS kann sowohl eine noch flachere Bauform als auch eine Kühlung der Stromphase AC1-AC3 erreicht werden, da diese direkt auf dem Kühlkörper 131-133 aufliegt. Somit können auch höhere Ströme, z.B. Ströme um die 900A, über die Stromphase AC1-AC3 fließen, ohne dass diese zu heiß wird. Darüber hinaus wird verhindert, dass die Stromphase AC1-AC3 (also die AC-Busbar) durch die DC-Schiene (DC+/DC-) geführt werden muss.
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Insbesondere um höhere Ströme bereitstellen zu können, sind mindestens 3 Halbbrücken je Stromphase AC1-AC3 vorgesehen. Vorteilhaft können je nach Ausführung der High-Side-Schalter HS und der Low-Side-Schalter LS sowie weiterer, vorgegebener Kriterien auch fünf bis acht Halbbrücken oder sogar mehr als acht Halbbrücken je Stromphase AC1-AC3 vorgesehen sein. In den Figuren sind Ausführungen mit sechs Halbbrücken pro Stromphase AC1-AC3 gezeigt.
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Außerdem kann eine Anordnung des Zwischenkreiskondensators 14 unterhalb des Kühlkörpers 131-133 erreicht werden, so dass ein sandwichartiger Aufbau erreicht wird. Somit wird weniger Platz in der Breite (y-Achse) pro Stromphasen AC1-AC3 benötigt.
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Der thermische Nachteil einer seriellen Kühlung wird durch ein Bereitstellen einer parallelen Kühlung der einzelnen Stromphasen AC1-AC3, also einer separaten Kühlung pro Stromphase AC1-AC3, reduziert. Außerdem kann durch Vorsehen eines Kühlkörpers 131-133 pro Stromphase AC1-AC 3 auf unterschiedliche Kühlbedarfe der auf dem Halbleitermodul der jeweiligen Stromphase AC1-AC3 vorgesehenen Leistungshalbleiter, d.h. High-Side-Schalter HS und Low-Side-Schalter LS, eingegangen werden. Außerdem wird die notwendige Länge der Leitungen der elektrischen Stromphasen AC1-AC3 zu einem gemeinsamen Übergabepunkt an die Maschine auf ein Minimum reduziert, da die Leitungen der Stromphasen AC1-AC3 örtlich nah beieinanderliegen, d.h. der Abstand beträgt in etwa 1x die Länge des Moduls. In bisherigen Konzepten ist der Abstand z.B. 0,5 x Anzahl parallele Module x Anzahl Breite des Moduls. Auch kann durch Vorsehen mittiger oder symmetrischer Abgriffe auf der Stromphase AC1-AC3 eine gleichmäßigere Lastverteilung zwischen den High-Side-Schaltern HS und Low-Side-Schaltern LS erzielt werden, da Widerstände und Induktivitäten nicht entlang der Stromphase(n) AC1-AC3 zum Abgriff der E-Maschine zunehmen.
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Der High-Side-Schalter HS und/oder der Low-Side-Schalter LS umfasst einen oder mehrere Leistungshalbleiterbauteile, im Zusammenhang mit dieser Anmeldung auch kurz als Halbleiter bezeichnet, wie IGBT oder MOSFET. Der HS und der LS bilden eine Halbbrücke der Brückenschaltung. Die Brückenschaltung ist auf einer Leiterplatte aufbringbar, sodass die Leistungsschalter mittels auf der Bestückungsseite der Leiterplatte vorhandener elektrischer Kontakte mit einem Steuergerät wie einem Electronic Control Unit (ECU) des Fahrzeugs elektrisch und/oder signaltechnisch verbindbar sind. Das Steuergerät ist daher in der Lage, die Leistungsschalter HS bzw. LS zwecks Betreiben des Elektroantriebs, insbesondere zwecks Bestromen der E-Maschine, eines mit einem entsprechenden Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs anzusteuern. Die Leiterplatte kann eine Platine (z. B. PCB) oder eine flexible Leiterplatte aufweisen.
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In 1 bis 3 zeigen unterschiedliche Ausführungen eines Inverteraufbaus mit drei Stromphasen AC1-AC3, um das Prinzip der Erfindung zu verdeutlichen. In 4 ist der Übersicht halber lediglich eine Stromphase AC1 gezeigt. Es können aber auch lediglich eine Stromphase AC1; AC2; AC3 mit einer Halbbrücke oder zwei oder mehr gleich aufgebaute Stromphasen vorgesehen sein, z.B. ein Vielfaches von zwei oder drei, z.B. sechs, neun, zwölf etc. Je mehr Stromphasen AC1-AC3 und je mehr Leistung, also je mehr Leistungshalbleiter pro Stromphase AC1-AC3, vorgesehen sind, desto besser zeigen sich die Vorteile des erfindungsgemäßen Inverteraufbaus.
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Der dargestellte Inverteraufbau weist je elektrischer Stromphase AC1-AC3 mindestens eine Halbbrücke auf, die aus jeweils einem elektrisch beidseitig kontaktierbaren HS und einem parallel dazu angeordneten und geschalteten, sowie elektrisch beidseitig kontaktierbaren LS gebildet ist. Je Stromphase AC1-AC3 erfolgt die DC-Stromversorgung (DC+/DC-) in einer Ausführung von einer Seite (in der Draufsicht in 1 auf der rechten Seite) der HS bzw. LS, so dass eine der DC-Stromschienen über die Stromphase AC1-AC3 geführt werden muss (in 1 und 2 die DC-Versorgung der Low-Side-Schalter LS). Alternativ erfolgt die DC-Stromversorgung (DC+/DC-) auf der zu den HS und LS zugehörigen Seite, d.h. die DC- Versorgung ist auf Seite der Low-Side-Schalter LS und die DC+ Versorgung ist auf Seite der High-Side-Schalter HS vorgesehen (in der Draufsicht in 3 und 4 zu sehen). Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass die DC-Verschienung nicht oberhalb der HS und LS entlanggeführt werden muss, so dass somit eine noch niedrigere Bauform realisiert werden kann. In letzterem Fall kann an den äußeren Bereichen der Stromphasen AC1 und AC3 jeweils eine zusätzliche, nicht angeschlossene und zu der angeschlossenen DC-Stromschiene gegenpolige Stromschiene vorgesehen sein, um Streuinduktivitäten zu reduzieren, wie in 3 und 4 gezeigt.
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Je nach Leistungsbedarf können in dieser Anordnung mehr oder weniger Halbleitermodule ohne eine nachteilige Auswirkung auf die elektrische Anbindung der Halbleitermodule parallelgeschaltet werden. Somit erfolgt eine Verbreiterung des Inverters anstatt in x-Richtung, wie bisher, in y-Richtung. Auch kann eine Leistungsanpassung ohne wesentliche Beeinträchtigung der elektrischen Anbindung erfolgen, indem mehr oder weniger Halbbrücken, also High-Side-Schalter HS und Low-Side-Schalter LS, in x-Richtung vorgesehen werden. Die erfindungsgemäße Matrixanordnung, bei der in der ersten Richtung, der y-Achse, die Stromphasen parallel zueinander angeordnet werden, und in der zweiten Richtung, der x-Achse, die Leistungsanpassung durch Anpassen der Anzahl der Halbbrücken, also High-Side-Schalter HS und Low-Side-Schalter LS erfolgt, ermöglicht eine minimale Abhängigkeit in einer Richtung bei der Veränderung der Parameter „Stromphasen“ und „Leistungsanpassung“.
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Der Inverteraufbau ermöglicht durch den diskreten Ansatz und die optimierten Kommutierungszellen den Einsatz von unterschiedlichen Halbleitertypen innerhalb eines Inverters. Die gewählten Halbleitertypen sind vorteilhaft solche, die eine aktive Schaltung erlauben und die eine breite Bandlücke bzw. einen breiten Bandabstand (Engl.: wide bandgap) aufweisen, wie z.B. Si-IGBT, SiC-Mosfet, SiC-Kaskode, GaN. Das heißt, es können nicht nur verschiedene Leistungshalbleiter im Inverteraufbau eingesetzt werden, sondern auch unterschiedliche Typen an Halbleitern gleichzeitig innerhalb des Inverteraufbaus, d.h. innerhalb jedes Halbleitermoduls.
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Der Kühlkörper 131-133 dient zur Abfuhr der von den Leistungshalbleitern, also den HS bzw. LS, sowie der Stromphase(n) AC1-AC3 des Inverters erzeugten Wärme. Vorteilhaft ist ein Kühlkörper 131-133 pro Halbleitermodul vorgesehen, so dass jede Stromphase AC1-AC3 einen eigenen Kühlkörper 131-133 und damit einen eigenen Kühlstrang aufweist. Somit kann die Kühlung auf die verwendeten Bauteile des jeweiligen Halbleitermoduls abgestimmt werden, d.h. es wird ein dedizierter Kühlbereich vorgesehen. Außerdem kann so eine modulare Bauweise realisiert werden, in welcher ein Halbleitermodul zusammen mit dem zugehörigen Kühlkörper 131-133 als zusammengehöriges Modul bereitgestellt werden kann, von denen mehrere parallel, d.h. eines pro Stromphase AC1-AC3, in einfacher Weise nebeneinander vorgesehen werden können, wie in den Figuren gezeigt. Die Kühlstränge des Kühlkörpers 131-133, von denen je elektrischer Stromphase AC1-AC3 einer vorhanden ist, können entweder separat ausgeführt oder im Bereich außerhalb der DC-Schienen zusammengeführt werden.
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Obwohl eine konstante DC-Spannung wünschenswert ist, kann die DC-Spannung jedoch aufgrund parasitärer Einflüsse mit Spannungsrippeln behaftet sein. Um diesen entgegenzuwirken umfasst das Elektronikmodul einen Zwischenkreis 14, der einen Zwischenkreiskondensator aufweist. Der Zwischenkreiskondensator kann monolithisch, wie in 1 und 2 gezeigt, ausgeführt werden. Alternativ kann er in verschiedenen Diskretisierungsschritten hin bis zu einzelnen Gehäusen je Wickel ausgeführt sein.
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Die Verbindung zwischen der Brückenschaltung und der Leiterplatte und/oder die Verbindung zwischen der Leiterplatte und dem Kühler erfolgt vorzugsweise in Form einer Kleb-, Schraub-, Schweiß-, Steck- und/oder Klemmverbindung.
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Ein Elektronikmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs. Das Elektronikmodul umfasst einen DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter) mit dem beschriebenen Inverteraufbau oder einen Teil hiervon. Das Elektronikmodul kann außerdem einen AC/DC-Gleichrichter (Engl.: Rectifier), einen DC/DC-Wandler (Engl.: DC/DC Converter), Transformator (Engl.: Transformer) und/oder einen anderen elektrischen Wandler oder ein Teil eines solchen Wandlers umfassen oder ein Teil hiervon sein. Insbesondere dient das Elektronikmodul zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter dient vorzugsweise dazu, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu erzeugen.
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Inverter für Elektroantriebe von Fahrzeugen, insbesondere PKW und NKW, sowie Bussen, sind für den Hochvoltbereich ausgelegt und sind insbesondere in einer Sperrspannungsklasse von ab ca. 650 Volt ausgelegt.
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Bezugszeichenliste
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- 14
- Zwischenkreis
- 131-133
- Kühlkörper
- AC1-AC3
- AC-Stromphasen/ ausgangsseitiger Stromanschluss
- DC+/DC-
- DC-Eingangsstrom
- HS
- High-Side-Schalter
- LS
- Low-Side-Schalter