-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Schaltelement, nämlich den Bereich der Schalter und insbesondere der schnellen Schalter mit einem aktiven Halbleiter-Schaltelement. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Leistungsmodul für einen Stromrichter sowie einen modular aufgebauten Stromrichter.
-
Beschreibung des Standes der Technik
-
Stromrichter zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs zum Umwandeln des zur Verfügung gestellten Gleichstroms in Phasenströme zum Betrieb der elektrischen Maschine sind bekannt. Darüber hinaus ist es bekannt, Stromrichter aus Leistungsmodulen mit mindestens zwei Halbleiter-Leistungsschaltern aufzubauen (vgl. bspw.
DE 100 37 379 B4 und
DE 10 2007 046 969 B3 ). Ein schichtweiser Aufbau eines Leistungsmoduls für einen Stromrichter ist aus der
DE 10 2013 207 507 B3 bekannt.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Demgegenüber werden erfindungsgemäß ein elektronisches Schaltelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Stromrichter mit den Merkmalen des Anspruchs 24 vorgeschlagen.
-
Die Erfindung stellt ein als Leiterstrukturelement ausgebildetes elektronisches Schaltelement mit mindestens einem Halbleiterschalter bereit, bei dem die mit dem mindestens einen Halbleiterschalter verbundenen Leitungen als Stromschienen ausgebildet sind, die im wesentlichen übereinanderliegend verlaufen. Unter einer Stromschiene ist in diesem Zusammenhang eine flächig ausgebildete Leiterbahn, bspw. eine Dickkupferbahn, zu verstehen. Die mindestens zwei Stromschienen zum Ankontaktieren des mindestens einen Halbleiterschalters können dabei im wesentlichen die gesamte Breite oder zumindest einen Großteil der Breite des Leiterstrukturelements einnehmen.
-
Die Erfindung ermöglicht die Herstellung von Schaltern für Leiterplattenanwendungen mit verringerter Baugröße, insb. verringerter Bauhöhe. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung können Schalter mit mindestens einem Halbleiterschalter in sehr flacher Bauweise bereitgestellt werden, die zur Einbettung in eine Leiterplattenlage sehr gut geeignet sind. Dies ist insbesondere bei Anwendungen vorteilhaft, bei denen eine Vielzahl von Schaltern auf kleinem Raum unterzubringen ist und ggf. auch eine entsprechende zusätzlich Zahl von redundanten Schaltern vorzusehen ist, wie dies bspw. bei Luftfahrtanwendungen der Fall ist. Durch die Einbettung in einer Leiterplatte wird gegenüber herkömmlichen Transistoren als separate und zu bestückende Bauelemente das Sicherheitsrisiko bei Überlastung der Transistoren gemindert.
-
Die Erfindung ermöglicht zudem die Herstellung von elektronischen schnellen Schaltelementen unter Minimierung von ungewünschten Störinduktivitäten. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Schichtaufbaus mit (flächigen) Stromschienen, die im wesentlichen übereinanderliegend verlaufen und in hohem Maße miteinander und mit den ebenfalls in den Schichtaufbau integrierten Halbleiterschaltern der Anordnung überlappen, wird eine im Vergleich zu herkömmlichen Anordnungen niederinduktive Gestaltung eines elektronischen Schaltelements erzielt. Die damit zudem einhergehende platzsparende Bauweise begünstigt eine Integration der Schaltelemente in Leiterplatten zur Ausbildung von insbesondere im Kfz-Bereich Anwendung findenden Schaltrichtern für Elektromotoren. Durch die flache Bauweise ist eine weitergehende Integration der Schaltrichter-Leiterplatten in Elektromotorgehäuse in kompakter Bauweise möglich.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
-
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnung
-
1 zeigt einen schematischen Schaltplan eines mit einem Elektromotor verbundenen modularen Stromrichters.
-
2 zeigt in Draufsicht eine stark schematische, halbdurchsichtige Darstellung eines erfindungsgemäßen elektronischen Schaltelements.
-
3 zeigt das elektronische Schaltelement der 2 in seitlicher auseinandergezogener Ansicht.
-
4 zeigt eine perspektivische Ansicht der auseinandergezogenen Darstellung der 3.
-
5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektronischen Schaltelements.
-
6 zeigt eine Draufsicht auf eine Oberseite des elektronischen Schaltelements der 5.
-
7 zeigt eine Draufsicht auf eine Unterseite des elektronischen Schaltelements der 5.
-
8 zeigt eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Schaltelements der 5 in schematischer Schnittdarstellung.
-
9 zeigt einen Leiterplattenaufbau mit zwei erfindungsgemäßen elektronischen Schaltelementen der 8.
-
10 zeigt eine stark schematische Ansicht eines Motorgehäuses für einen Elektromotor mit drei erfindungsgemäßen ringsegmentförmigen elektronischen Schaltelementen.
-
11 zeigt als weitere Ausführungsform der Erfindung ein elektronisches Schaltelement mit einem Halbleiterschalter als Schalter in seitlicher schematischer Schnittdarstellung.
-
12 zeigt den Schalter der 11 mit einem zusätzlichen parallel geschalteten Halbleiterschalter in redundanter Anordnung.
-
Ausführliche Beschreibung
-
1 zeigt eine stark schematische Prinzipskizze eines Schaltplans eines erfindungsgemäß aufgebauten und mit einem Elektromotor EM verbundenen modularen Stromrichters 10.
-
Der Elektromotor EM dient bspw. zum Vortrieb eines Kraftfahrzeugs, und der Stromrichter 10 dient zum Bereitstellen elektrischer Energie in Form von Phasenströmen für den Elektromotor EM, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel drei Wicklungen 28 aufweist. Die drei Wicklungen 28 des Elektromotors EM sind jeweils über eine Phasenstromleitung 26 mit dem Stromrichter 10 elektrisch verbunden.
-
Der modular aufgebaute Stromrichter 10 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als eine B6-Brückenschaltung ausgebildet und umfasst drei weitgehend identisch ausgebildete, zueinander in einer Parallelschaltung angeordnete Halbbrücken 12 (12.1, 12.2, 12.3) zwischen einer ersten Stromversorgungsleitung bzw. Stromschiene 20 und einer zweiten Stromversorgungsleitung bzw. Stromschiene 22. Die Halbbrücken sind in der Darstellung der 1 durch die senkrechten strichlierten Linien voneinander getrennt. Jede der dargestellten Halbbrücken ist ein erfindungsgemäß aufgebautes elektronisches Schaltelement, wie nachstehend noch detaillierter ausgeführt ist.
-
Jede der drei Halbbrücken 12 umfasst jeweils einen ersten Halbleiterschalter 14 (hier: Highside) und einen zweiten Halbleiterschalter 16 (hier: Lowside), die in der Prinzipskizze der 1 als Rechtecke dargestellt sind. Die beiden Halbleiterschalter 14 und 16 jedes Moduls 12 sind mit einer dritten Stromschiene 24 miteinander verbunden, an der jeweils ein Abgriff (Mittenanschluss) U, V bzw. W für die den Phasenstrom an den Elektromotor übermittelnden Phasenstromleitungen 26 angeschlossen ist.
-
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die ersten Halbleiterschalter 14 an einem positivspannungsseitigen Strompfad und somit zwischen der der ersten (positiven) Stromschiene 20 und einer der Phasenstromleitungen 26 angeordnet, und die zweiten Halbleiterschalter 16 sind an einem negativspannungsseitigen Strompfad und somit zwischen einer der Phasenstromleitungen 26 und der zweiten (negativen) Stromschiene 22 angeordnet.
-
Jeder der Halbleiterschalter 14, 16 weist einen Stromanschluss 25 zum Anlegen eines Steuersignals für einen Gate-Anschluss des Halbleiterschalters 14, 16 auf.
-
Der Stromrichter 10 kann weitere Schaltungskomponenten, wie zum Beispiel einen oder mehrere Zwischenkreiskondensatoren, aufweisen, die in der Darstellung der 1 aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht gezeigt sind.
-
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Schaltermoduls bzw. elektronischen Schaltelements oder Brückenschalters 12 gemäß der Erfindung in halbdurchsichtiger Draufsicht, so dass auch untere Lagen der Schichtstruktur erkennbar sind. 3 zeigt das Ausführungsbeispiel der 2 in seitlicher auseinandergezogener Ansicht, so dass die an sich enger beieinander liegenden Schichten aus Gründen der besseren Erkennbarkeit weiter auseinanderliegen und Zwischenschichten (wie bspw. isolierende Zwischenlagen) nicht gezeigt sind. 4 schließlich zeigt die auseinandergezogene Darstellung der 3 in perspektivischer Ansicht.
-
Das als Halbbrücke ausgebildete elektronische Schaltelement 12 weist einen ersten und einen zweiten Halbleiterschalter 14, 16 auf, die in einer Schichtabfolge eines Leiterstrukturelements 30 eingebracht sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel befinden sich die Halbleiterschalter 14, 16 im wesentlichen auf derselben Ebene bzw. Höhe des Schichtaufbaus. Der erste und der zweite Halbleiterschalter 14, 16 können – wie dargestellt – auf sogenannten Leadframes (Leitungsträger) 34, 36 aufgebracht sein. Die Aufbringung auf Leadframes dient der mechanischen Fixierung und/oder elektrischen Kontaktierung. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine elektrische Kontaktierung mit dem Drain-Anschluss jedes Halbleiterschalters realisiert. Die Halbleiterschalter werden auf den Leadframes in den Schichtaufbau eingebracht. Dieses Vorgehen ist dem Fachmann an sich bekannt. Die Halbleiterschalter 14, 16 können aber auch direkt eingebracht werden, wie dies im Ausführungsbeispiel der 5 bis 7 der Fall ist.
-
Eine erste Stromschiene 20 zur Anbindung des ersten Halbleiterschalters 14 an eine Gleichstromspannung ist in einer unteren Ebene des Leiterstrukturelements 30 ausgebildet, bspw. als Dickkupferbahn. Analog ist eine zweite Stromschiene 22 zur Anbindung des zweiten Halbleiterschalters 16 an eine Gleichstromspannung in einer oberen Ebene des Leiterstrukturelements 30 ausgebildet, bspw. als Dickkupferbahn. Im dargestellten Ausführungsbeispiel stellt die untere Stromschiene 20 die Pluspol-Anbindung dar, während die obere Stromschiene 22 die Minuspol-Anbindung darstellt.
-
Eine dritte Stromschiene 24 zur Verbindung des ersten und des zweiten Halbleiterschalters 14, 16 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einer oberen Ebene des Leiterstrukturelements 30 ausgebildet, geeigneterweise in gleicher Ebene mit der zweiten Stromschiene 22 und ebenfalls als Dickkupferbahn (jedoch von 22 isoliert). An bzw. auf der dritten Stromschiene befindet sich – wie bereits voranstehend unter Bezugnahme auf die 1 beschrieben – ein Anschlusspunkt (Mittenanschluss) U zum Abgreifen des Phasenstroms für den Elektromotor EM.
-
Zwischen die zweite Stromschiene 22 und die erste Stromschiene 20 ist ein Zwischenkreiskondensator C (sogenannter DC-Link) geschaltet (im dargestellten Ausführungsbeispiel sind es zwei Zwischenkreiskondensatoren). Bei dem Zwischenkreiskondensator kann es sich bspw. um einen Keramikkondensator (wie einen CCC-Kondensator) handeln. Um eine platzsparend Anordnung der Zwischenkreiskondensatoren zu ermöglichen, ist die erste Stromschiene in der dargestellten Ausführungsform mittels Durchkontaktierungsanbindungen in die Ebene der zweiten Stromschiene 22 in eine dafür vorgesehene Ausnehmung 23 gezogen. Somit können die Zwischenkreiskondensatoren C direkt auf die benachbart zueinander liegenden, aber elektrisch getrennten Stromschienen 20, 22 aufgesetzt werden.
-
Bei den dargestellten Zwischenkreiskondensatoren C handelt es sich um vergleichsweise niederkapazitive Elemente mit geringer Eigeninduktivität. Sollen auch noch hochkapazitive Kondensatoren angeschlossen werden (wie bspw. ein Elektrolytkondensator, nicht dargestellt), so kann dies an zu diesem Zweck vorgesehenen Anschlüssen 20a, 22a bzw. 20b, 22b erfolgen. Diese Anschlüsse 20a, 22a bzw. 20b, 22b erstrecken sich von der ersten (Pluspol) bzw. der zweiten (Minuspol) Stromschiene 20, 22 durch den Schichtaufbau zu der jeweils anderen Stromschiene und münden dort zwecks elektrischer Trennung in jeweils einer dafür vorgesehenen Ausnehmung 21a, 21b bzw. 23a, 23b in der entsprechenden Stromschiene.
-
Die dargestellten und beschriebenen Anschlüsse 20a, 22a bzw. 20b, 22b finden insb. Verwendung beim Einsatz von bedrahteten Kondensator-Bauelementen. Alternativ können auch hochkapazitive Kondensatoren in SMD-Technologie (analog zu den bereits dargestellten und beschriebenen niederkapazitiven Keramikkondensatoren C) aufgebracht werden. Nicht für einen Zwischenkreiskondensatoranschluss verwendete Anschlüsse 20a, 22a bzw. 20b, 22b können für die Ankontaktierung Plus/Minus verwendet werden. Es ist auch möglich, ein gleiches Anschlusspaar sowohl zur Ankontaktierung Plus/Minus als auch zur Anbindung eines Zwischenkreiskondensators zu verwenden.
-
Die untere Stromschiene 20 ist mittels einer Mehrzahl von Kontakten bzw. Mikrovias 40 und 42 mit den in einer darüber liegenden Ebene der Schichtabfolge des Leiterstrukturelements 30 liegenden Leadframe 34 bzw. dem Halbleiterschalter 14 elektrisch verbunden (Drain-Kontakt). Auf dem Leadframe 34 befindet sich eine weitere Mehrzahl von Mikrovias 44, die eine Verbindung mit dem darüber befindlichen, in der Ebene der zweiten Stromschiene 22 angeordneten Teilschiene der ersten Stromschiene 20 herstellt. Wie bereits beschrieben, ist diese Teilschiene in einer Ausnehmung 23 der zweiten Stromschiene 22 angeordnet. Die Ausnehmung 23 ist darüber hinaus so ausgestaltet, dass sie auch die dritte Stromschiene 24 aufnimmt. Die zweite Stromschiene 22, die Teilschiene der ersten Stromschiene 20 und die dritte Stromschiene 24 sind zwar in der gleichen Ebene, jedoch elektrisch voneinander getrennt.
-
Es ist an dieser Stelle zu betonen, dass der Begriff ”Mikrovia” in dieser Anmeldung als Synonym für jede Art von vertikaler Kontaktierung in einem Leiterschichtaufbau zu verstehen ist. Die Richtungsangabe ”vertikal” bezieht sich dabei auf die Richtung senkrecht zu einer Längserstreckung des Schichtaufbaus, wie es auch aus den Darstellungen ersichtlich ist.
-
In ähnlicher Weise ist die zweite Stromschiene 22 mit einer Mehrzahl von Mikrovias 50 mit dem darunter liegenden zweiten Halbleiterschalter 16 verbunden (Source-Kontakt). Das zweite Leadframe 36, auf dem der zweite Halbleiterschalter 16 angebracht und elektrisch leitend verbunden ist, ist wiederum mit einer Mehrzahl von Mikrovias 52 mit der darüber liegenden dritten Stromschiene 24 elektrisch verbunden, womit die Verbindung zu dem Drain-Kontakt hergestellt wird.
-
Oberhalb des ersten Halbleiterschalters 14 und des zweiten Halbleiterschalters 16 befinden sich in der dritten Stromschiene 24 bzw. der zweiten Stromschiene 22 Ausnehmungen zur Aufnahme der Stromanschlüsse 25 zum Anlegen der Steuersignale für die Transistoren der beiden Halbleiterschalter 14, 16 (Gate-Anschlüsse).
-
In der dritten Stromschiene 24 befindet sich der Anschlusspunkt für den Mittenanschluss U. Die elektrische ”Verdrahtung” des dargestellten elektronischen Schaltelements 12 ist somit derart, dass eine Verbindung von der ersten Stromschiene 20 über Mikrovias 40, 42 zum ersten Halbleiterschalter 14 und dem ersten Leadframe 34 gegeben ist. Der erste Halbleiterschalter 14 ist mit der dritten Stromschiene 24 verbunden, über die wiederum über den Mittenanschluss U eine Verbindung mit dem (hier nicht dargestellten) Elektromotor EM gegeben ist.
-
Die Ansteuerung des ersten Halbleiterschalters erfolgt über einen Steuersignalanschluss 25, der in die über dem ersten Halbleiterschalter 14 angeordnete Stromschiene (in diesem Fall die dritte Stromschiene 24) elektrisch isoliert eingebettet ist. Der Mittenanschluss U der dritten Stromschiene 24 ist dann über Mikrovias 52 mit dem darunter liegenden zweiten Leadframe 36 und dem auf dem zweiten Leadframe 36 angeordneten zweiten Halbleiterschalter 16 verbunden. Der zweite Halbleiterschalter 16 wiederum ist über eine Mehrzahl von Mikrovias 50 mit der darüber liegenden zweiten Stromschiene 22 verbunden. Ein Steuersignalanschluss 25 des zweiten Halbleiterschalters 16 ist in der darüber liegenden Stromschiene (hier: die zweite Stromschiene 22) elektrisch isoliert eingebettet.
-
Wie bereits beschrieben, sind die Zwischenkreiskondensatoren zwischen der ersten Stromschiene 20 und der zweiten Stromschiene 22 in der oberen Ebene der zweiten Stromschiene 22 angeordnet. Zu diesem Zwecke ist eine Teilstromschiene 20c, die über Mikrovias 44 mit der ersten Stromschiene 20 verbunden ist, vorgesehen. Zu Zwecken des Anschlusses eines hochkapazitiven Zwischenkreiskondensators (nicht dargestellt) sind die bereits beschriebenen Durchkontaktierungen 20a, 20b, 22a, 22b vorgesehen. (Alternativ ist auch die bereits voranstehend angesprochene SMD-Ausführung (SMD: surface-mount device, dt: oberflächenmontiertes Bauelement) möglich.)
-
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Schaltelements 112 mit einer sogenannten alternierenden Anordnung der Halbleiterschalter 114, 116.
-
Das elektronische Schaltelement 112 ist als Leiterstrukturelement 130 gebildet, das aus einer Schichtabfolge gebildet ist, nämlich einer Kern- oder Trägerschicht 132, die als leitende Schicht ausgebildet sein kann, an die sich beiderseitig eine isolierende Schicht 134 anschließt. Auf den beiden isolierenden Lagen 134 sind wiederum Leiterbahnen zur Ausbildung einer ersten Stromschiene 120, einer zweiten Stromschiene 122 sowie einer dritten Stromschiene 124 vorgesehen. Neben einer leitenden Kernschicht 132 (also einer vollständig bspw. aus Kupfer bestehenden Schicht) sind alternativ der Einsatz einer kupferkaschierten strukturierten Innenlage oder einer vollständig nichtleitenden Innenlage möglich.
-
In den beschriebenen Schichtaufbau sind ein erster Halbleiterschalter 114 und ein zweiter Halbleiterschalter 116 in dazu vorgesehenen Ausnehmungen der Trägerschicht 132 angeordnet. Der erste Halbleiterschalter 114 ist mittels Mikrovias 160 mit der ersten Stromschiene 120 und mit Mikrovias 162 mit der dritten Stromschiene 124 verbunden. Der zweite Halbleiterschalter 116 ist entsprechend mittels Mikrovias 164 mit der darüber liegenden dritten Stromschiene 124 und mittels Mikrovias 166 mit einem darunter liegenden Teilabschnitt 122a der an sich in der oberen Ebene verlaufenden zweiten Stromschiene 122 verbunden. Der Teilabschnitt 122a der zweiten Stromschiene 122 ist mittels Durchkontaktierungen (Sacklöcher) 168 auf die (elektrisch leitende) Kernschicht 132 elektrisch mit der eigentlichen zweiten Stromschiene 122 verbunden. Im Falle einer kupferkaschierten oder nichtleitenden Kernschicht würde es sich um durchgehende Durchkontaktierungen 168 handeln.
-
In der dritten Stromschiene 124 ist ein Mittenanschluss U vorgesehen, der als Einpresskontakt 170 ausgebildet sein kann, der mit Kontaktstifte 172 das Leiterstrukturelement 130 durchgreift. Um eine möglichst große Kontaktierungsfläche zwischen der dritten Stromschiene 124 und dem Einpresskontakt 170 herzustellen, erstreckt sich eine aufgalvanisierte Kupferbeschichtung durch die zur Aufnahme der Kontaktstifte 172 vorgesehenen Durchbohrungen 136 des Leiterstrukturelements 130 bis auf die in der Darstellung der 5 unten liegende Ebene (der Ebene der ersten Stromschiene 120). Anmerkung: In der Darstellung der Draufsicht der 6 wurde aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit auf die Wiedergabe des Kopfes des Einpresskontakts 170 verzichtet.
-
Schließlich sind noch Steuersignalanschlüsse 125 für das erste und das zweite Halbleiterschaltelement 114, 116 vorgesehen, jeweils ein Anschluss auf der oberen Ebene und der unteren Ebene, die mittels Vias 161 bzw. 165 mit den beiden Halbleiterschaltern 114, 116 verbunden sind.
-
Bei der dargestellten Anordnung handelt es sich um eine sogenannte alternierende Anordnung, d. h. die beiden Halbleiterschalter 114, 116 sind um 180° gegeneinander gekippt bzw. geschwenkt angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel bedeutet dies, dass der erste Halbleiterschalter 114 mit seinem Drain-Anschluss D nach unten weisend mit der ersten Stromschiene 120 (Pluspol) verbunden ist, während der Source-Anschluss S und der Gate-Anschluss G nach oben weisen. Demgegenüber ist der zweite Halbleiterschalter 116 derart um 180° gekippt, dass sein Drain-Anschluss D nach oben weist (und dort mit der dritten Stromschiene 124 verbunden ist, die an ihrem anderen Ende mit dem Source-Anschluss S des ersten Halbleiterschalters 114 verbunden ist). Der Source-Anschluss S und der Gate-Anschluss G des zweiten Halbleiterschalters 116 weisen entsprechend nach unten zu der Ebene der ersten Stromschiene 120. Die beschriebene und dargestellte alternierende Anordnung ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise eines erfindungsgemäßen elektronischen Schaltelements.
-
Erfindungsgemäß erstrecken sich die erste Stromschiene 120 und die zweite Stromschiene 122 parallel und in großen Teilen überlappend übereinander in zwei verschiedenen Ebenen des elektronischen Schaltelements, wobei sie auch die beiden Halbleiterschalter in hohem Maße überlappen.
-
In dem Ausführungsbeispiel der 5 bis 7 wird der erste Halbleiterschalter 114 sowohl von der ersten Stromschiene 120 als auch der dritten Stromschiene 124 überlappt, während der zweite Halbleiterschalter 116 von der dritten Stromschiene 124 und der zweiten Stromschiene 122 (besser gesagt deren Teilabschnitt 122a in der Ebene der ersten Stromschiene 120) überlappt. Um die geschilderte und dargestellte Anordnung zu gewährleisten, sind in der ersten Stromschiene 120 und der zweiten Stromschiene 122 Ausnehmungen 121b bzw. 123 vorgesehen, in die elektrisch getrennt andere Stromschienenelemente eingesetzt sind, nämlich der Teilabschnitt 122a der zweiten Stromschiene 122 in die Ausnehmung 121b der ersten Stromschiene 120 und die dritte Stromschiene 124 in die Ausnehmung 123 der zweiten Stromschiene 122.
-
Wie aus der Darstellung der 6 und 7 gut erkennbar ist, erstrecken sich die erste und die zweite Stromschiene 120, 122 über die gesamte Breite des Leiterstrukturelements 130. Des weiteren erstrecken sie sich auch über dessen gesamte Länge. Dadurch – und durch die konsequente Ankontaktierung aller verwendeten Elemente und Anschlüsse über Mikrovias und Durchkontaktierungen – wird der Effekt der Induktionsreduzierung maximiert.
-
Die erste Stromschiene 120 weist darüber hinaus noch eine weitere Ausnehmung 121a auf, in die sich die Kontaktstifte 172 des Einpresskontakts 170 hinein erstrecken, zusammen mit einer leitend mit der dritten Stromschiene 124 verbundenen Kupferschicht. Im Falle der Verwendung eines oberflächenmontierten Kontaktes 170a für den Mittenabgriff U könnte auf die Bohrungen für die Kontaktstifte 172 und die weitere Ausnehmung 121a verzichtet werden. Eine derartige Variante ist in der 8 dargestellt.
-
8 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Schaltelements 112a ähnlich der Darstellung der 5, aber mit einem oberflächenmontierten Kontakt 170a für den Mittenanschluss U. Wie aus der 8 ersichtlich, bedeutet dies, dass keine Durchbohrungen durch den Schichtaufbau 130a notwendig sind und es keiner Ausnehmung 121a in der ersten (unteren) Stromschiene 120a bedarf, da sich die dritte Stromschiene 124a nicht auf die Unterseite erstreckt. Im übrigen entspricht die Ausgestaltung der 8 derjenigen der 5.
-
Weitere Schichten können sich an die in den 2 bis 7 dargestellten Schichtaufbauten anschließen, um bspw. die Steueranschlüsse 25, 125 anzukontaktieren und die elektronischen Schaltelemente zu vervollständigen. Insbesondere kann der dargestellte Schichtaufbau als solches in eine Leiterplatte integriert werden, wie dies am Beispiel der in 9 dargestellten Ausführungsform veranschaulicht ist.
-
9 zeigt beispielhaft eine Einbettung zweier als Halbbrücken ausgestalteter erfindungsgemäßer Schaltelemente 112.1 und 112.2 in eine Leiterplatte LP, die in ihrem Aufbau im wesentlichen dem in 8 dargestellten Aufbau entsprechen. Die Bezugszeichen entsprechender Merkmale und Elemente wurden um ”100” erhöht. Für die Beschreibung der elektronischen Schaltelemente 112.1, 112.2 selbst wird auf die voranstehende Beschreibung zu den 5 bis 8 verwiesen.
-
Die beiden als Leiterstrukturelemente ausgebildeten Schaltelemente 112.1, 112.2 können – wie dargestellt – in eine Kernlage oder auch eine andere Ebene einer Leiterplatte eingebettet sein. Ober- und unterhalb schließt sich jeweils eine isolierende Schicht oder Schichtfolge 210 aus Prepreg und/oder Prepreg plus Innenlagenmaterial (wie FR4) an, mit dem die Schaltelemente 112.1, 112.2 verpresst werden. Alternativ zu Prepreg können auch glasfaserfreie dielektrische Materialien mit hinreichender Wärmeleitfähigkeit verwendet werden.
-
Die Schaltelemente 112.1, 112.2 sind längs hintereinander leicht beabstandet zueinander angeordnet. In dem Übergangsbereich zwischen den beiden Schaltelementen 112.1, 112.2 sind auf den isolierenden Schichten Leiterabschnitte 220, 222 ausgebildet, die mittels vertikalen Kontaktierungen wie bspw. Mikrovias jeweils mit den beiden ersten Stromschienen 120.1, 120.2 bzw. den beiden zweiten Stromschienen 122.1, 122.2 verbunden sind, um derart eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Schaltelementen 112.1, 112.2 zu deren Parallelschaltung zu gewährleisten.
-
Auf der Oberfläche der isolierenden Schicht 210 können noch weitere Leiterzüge zur Verschaltung bzw. Anbringung von Logikschaltungen vorgesehen sein, wie dies schematisch mit dem Bezugszeichen 212 bezeichnet ist.
-
Kontakte 170.1 und 170.2 für die Mittenanschlüsse U bzw. V sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf eine Kupferlage der äußeren isolierenden Schicht 210 aufgebracht und mittels vertikalen Kontaktierungen wie bspw. Mikrovias mit der jeweils darunterliegenden dritten Stromschiene 124.1 bzw. 124.2 der beiden Schaltelemente 112.1, 112.2 verbunden. Alternativ kann – bei entsprechender Ausgestaltung – ein bereits auf den Schaltelementen vorhandener Kontakt (vgl. 5 und 8) verwendet werden.
-
Schließlich sind auf der isolierenden Lage noch Leiterzüge 225 zur Anbindung der Steuersignalanschlüsse 125.1, 125.2 der beiden Schaltelemente 112.1, 112.2 vorgesehen.
-
Auf einer gegenüberliegenden Seite (in der in der Darstellung nach unten weisenden Seite der Leiterplattenanordnung LP) sind Schichten 214 aus einem thermisch leitenden Material (TIM: thermal interface material) aufgebracht, die wiederum in Kontakt mit einem oder mehreren Kühlkörpern K1, K2 stehen. Der Kühlkörper kann einstückig mit einer Ausnehmung im Bereich der Übergangsverbindung 220 zwischen den beiden Schaltelementen 112.1, 112.2 ausgebildet sein, oder zweiteilig (oder ggf. auch mehrteilig) mit jeweils einem Teil K1, K2 unterhalb eines zugeordneten Schaltelements 112.1, 112.2. Zudem weist der mindestens eine Kühlkörper nicht im Detail gezeigte Ausnehmungen für die untenliegenden Steuersignalanschlüsse 225 und deren Ankontaktierung auf.
-
Die wärmeleitenden Schicht(en) 214 können je nach Anwendung aus leitendem oder nichtleitendem Material sein; die exakten Eigenschaften der wärmeleitenden Schicht(en) 214 wählt der Fachmann aus dem Wechselspiel mit dem als isolierende Außenlage 210 Verwendung findenden Material.
-
In einer (nicht dargestellten) alternativen Ausführungsform können die Kühlkörper anstatt nur auf einer Seite der Leiterplatte LP z. B. abwechselnd auf beiden Seiten angeordnet sein; entsprechend müssten entweder auch die Kontakte 170 abwechselnd angeordnet sein, oder es müssten Ausnehmungen in den Kühlkörpern für die Kontakte 170 vorgesehen sein. IN dem Ausführungsbeispiel der 9 könnte bspw. der mit dem Bezugszeichen K2 bezeichnete Kühlkörper auf der Oberseite des zweiten Schaltelements 112.2 angeordnet sein.
-
In den 5 bis 9 wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die Darstellung von Zwischenkreiskondensatoren verzichtet.
-
10 zeigt eine stark schematische Ansicht eines Motorgehäuses M eines Elektromotors EM in seitlicher Draufsicht auf eine Stirnseite des Motorgehäuses M.
-
Das Motorgehäuse M besteht bspw. aus einem Metallgussblock, der eine Innenfläche I mit im wesentlichen kreisrundförmigem Innenquerschnitt aufweist.
-
In das Motorgehäuses M ist erfindungsgemäß ein Stromrichter 10 eingesetzt, der ebenfalls einen kreisrundförmigen Grundriss aufweist, der in seinen Außenabmessungen denjenigen des Innenquerschnitts des Motorgehäuses M im wesentlichen entspricht, so dass ein exaktes Platzieren des Stromrichters 10 in dem Motorgehäuse M möglich ist.
-
Der Stromrichter 10 ist aus drei erfindungsgemäßen elektronischen Schaltelementen 12.1, 12.2, 12.3 gebildet, von denen ein jedes eine Ringsegmentform aufweist (im dargestellten Beispiel eine 120°-Ringsegmentform), die es ermöglicht, aus den drei Schaltelementen in aneinander gesetztem und verdrahtetem Zustand einen Kreisring zu bilden. Dies kann wie unter Bezugnahme auf die 9 beschrieben bspw. durch Integration der drei Schaltelemente 12.1, 12.2, 12.3 in eine entsprechende Leiterplatte mit ebenfalls entsprechend kreisrundem Querschnitt erfolgen.
-
Für den Fachmann ist ohne weiteres ersichtlich, dass vorliegend zwar von einem 120°-Ringsegment gesprochen wird, das elektronische Schaltelement in der Praxis tatsächlich aber eine Winkelerstreckung von etwas weniger als 120° aufweist, um ein problemloses Zusammensetzen der drei Schaltelement-Module zu einem vollständigen Ring mit jeweils einem Abstand zwischen Modulen zu ermöglichen. Die drei (in eine Leiterplatte eingebetteten) Schaltelemente gemeinsam ergeben dann einen vollen Kreis von 360°. Entsprechendes gilt bei den anderen Winkelangaben, die im Rahmen dieser Anmeldung angesprochen werden.
-
Ebenfalls zu erkennen sind in der stark schematischen Darstellung der 10 die jeweils ersten und zweiten Halbleiterschalter 14, 16 jedes der drei Schaltelemente 12.1, 12.2, 12.3 sowie deren jeweilige Mittenanschlüsse U, V, W, die mit (nicht dargestellten) Phasenstromleitungen des Elektromotors verbunden sind. Ebenfalls dargestellt sind die Plus- und Minuspole bzw. -anschlüsse.
-
An der Innenfläche I des Motorgehäuses M kann mindestens ein (nicht dargestellter) Vorsprung vorgesehen sein, der so bemessen ist, dass der erfindungsgemäße Stromrichter (mithin die Leiterplatte, in der die drei Schaltelemente eingebettet sind) zur Anbringung in dem Motorgehäuse auf den Vorsprung aufgesetzt werden und dort fixiert werden kann. Dieser Vorsprung kann bei geeigneter Dimensionierung und Anordnung dann als Kühlkörper für die aufgelegte Leiterplatte zur Ableitung der von den Halbleiterbauelementen und ggf. Stromschienen erzeugten Verlustleistung dienen. Der Vorsprung kann ein- oder mehrteilig (als mehrere Vorsprünge) ausgebildet sein. Der oder die Vorsprünge können einstückig mit dem Metallgusskörper des Motorgehäuses ausgebildet sein. Auf diese Weise werden keine separaten Kühlkörper benötigt, und der ohnehin vorhandene Metallgusskörper des Motorgehäuses kann zur Kühlung eingesetzt werden.
-
Alternativ können die beschriebenen Vorsprünge zum Abstützen/Beaufschlagen und Kühlen der Stromrichterleiterplatte auch in einem Deckel des Motorgehäuses angebracht sein. Weiter können die Vorsprünge in noch einer weiteren Ausgestaltung auf das Innere des Motorgehäuses und den Deckel des Motorgehäuses verteilt vorgesehen sein, woraus sich ein Abstützen und Kühlen der Leiterplatte von beiden Seiten der Leiterplatte ergeben würde, bspw. im Sinne einer alternierenden Anordnung, wie voranstehend erwähnt.
-
11 zeigt als weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ein als Schalter DS ausgebildetes elektronisches Schaltelement in schematischer Querschnittdarstellung.
-
Der Schalter DS umfasst einen Halbleiterschalter 314, der in ein Leiterstrukturelement 330 mit einer Kernlage 332 und daran (oben und unten) anschließenden isolierenden Lagen 334 eingebracht ist. Wie bereits voranstehend beschrieben, ist der Halbleiterschalter 314 in eine dazu vorgesehene Ausnehmung in der Kernlage 332 eingesetzt und dort mit den isolierenden Lagen 334 verpresst.
-
Als Außenlagen des erfindungsgemäßen Schaltelements 312 sind eine mit einem Drain-Kontakt D des Halbleiterschalters 314 über Mikrovias 360 verbundene stromzuführende Stromschiene 320 (im Ausführungsbeispiel untenliegend) und eine mit einem Source-Kontakt S des Halbleiterschalters 314 über Mikrovias 360 verbundene weitere Stromschiene 324 vorgesehen.
-
Auf der weiteren Stromschiene 324 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Kontakt 370 angebracht, über den eine Verbindung mit einem Verbraucher V hergestellt werden kann, der wiederum mit Masse bzw. dem Minuspol der Stromquelle zu verbinden ist. Wie in der voranstehenden Beschreibung bereits vermittelt wurde, kann der Kontakt zum Abführen des Stromes von der weiteren Stromschiene 324 auch erst nach Einbettung des Schalters DS in eine Leiterplatte angebracht werden.
-
12 zeigt in einer der 11 analogen Darstellung ein Beispiel für eine redundante Schalteranordnung eines erfindungsgemäßen Schalters DSR. Gleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen, ggf. mit dem Zusatz ”R”.
-
Das redundante elektronische Schaltelement 312R des Schalters DSR weist eine zur Aufnahme eines weiteren Halbleiterschalters 316 verlängerte Leiterstruktur 330R auf, die insbesondere eine Kernlage 332R mit einer weiteren Ausnehmung zur Aufnahme des weiteren Halbleiterschalters 316 umfasst.
-
Zur Ausbildung einer Parallelschaltung zwischen den redundant einzusetzenden Halbleiterschaltern 314, 316 sind die beiden Stromschienen entsprechend über die Länge des Leiterstrukturelements 330R verlängert. Hierzu sind die beiden Halbleiterschalter 314, 316 in gleicher Ausrichtung angeordnet, d. h. die beiden Drain-Kontakte D weisen in die gleiche Richtung (im dargestellten Ausführungsbeispiel nach unten) und die beiden Source-Kontakte S weisen in die gleiche Richtung. Somit sind die stromführende untere Stromschiene 320 über Mikrovias 360, 364 mit den beiden Drain-Kontakten und die weitere (obere) Stromschiene 324 über Mikrovias 362, 366 mit den beiden Source-Kontakten S der beiden Halbleiterschalter 314, 316 verbunden. Entsprechend sind Steuersignalanschlüsse 325 für die beiden Gate-Kontakte G vorgesehen. Diese sind wie bereits voranstehend unter Bezugnahme auf die 5 bis 7 beschrieben in dazu vorgesehene Ausnehmungen in der weiteren Stromschiene 324 angeordnet.
-
Das beschriebene und dargestellte Schaltelement weist zur Veranschaulichung zwei Halbleiterschalter auf. Häufig verfügt eine redundante Schaltung über drei oder auch mehr Halbleiterschalter. Derartige redundante Schalter können wie beschrieben in eine Leiterplatte eingebracht werden. Aufgrund der äußerst geringen Bauhöhe der erfindungsgemäßen Schaltelemente können Leiterplatten mit einer Vielzahl von derartigen Schaltern ausgestattet werden.
-
Selbstverständlich können auch die Halbleiterschalter eines erfindungsgemäßen Schalters, wie er beispielhaft unter Bezugnahme auf die 11 und 12 beschrieben wurde, auf einem Leadframe angebracht und auf diesem Leadframe in die Schichtabfolge des Leiterstrukturelements eingebracht sein.
-
Unter einem elektronischen Schaltelement ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung jede Art von mindestens einen elektronischen Schalter, wie bspw. ein MOSFET, IGBT, Thyristor o. dgl., aufweisender Teil-Schaltungsanordnung, insb. integrierter Schaltung, zu verstehen. Es kann sich um Brückenschalter im weitesten Sinne handeln, die zum Aufbau von Mehrpuls-Brückenschaltungen geeignet sind. Bei Verwendung von IGBTs kann der Einsatz von sogenannten Freilaufdioden erforderlich sein, was sich für den Fachmann aus seinem Fachwissen erschließt.
-
Selbstverständlich können auch für Brückenschaltungen die Schaltelemente mehr als zwei Halbleiterschalter aufweisen, wie dies in Anwendungen mit höheren Strömen bzw. Leistungen erforderlich sein kann.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 10037379 B4 [0002]
- DE 102007046969 B3 [0002]
- DE 102013207507 B3 [0002]