-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Steuergeräte zum Betreiben eines Elektroantriebs für ein Fahrzeug.
-
TECHNISCHER HINTERGRUND
-
Steuergeräte, insbesondere integrierte Steuergeräte, etwa DC/AC-Wechselrichter (Inverter), finden bei Kraftfahrzeugen zunehmende Anwendungen. DC/AC-Wechselrichter dienen dazu, elektrische Maschinen wie Elektromotoren 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 Steuergeräte ein oder mehrere Leistungsmodule, die Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) umfassen. Die Leistungsmodule basieren auf Leistungshalbleitern, insbesondere Transistoren wie MOSFETs und HEMTs. Diese Leistungshalbleiter werden zwecks Ansteuerung an einen Schaltungsträger, insbesondere eine Leiterplatte, angeschlossen.
-
Um ein schnelles und leistungseffizientes Schalten des Leistungsmoduls zu ermöglichen werden sogenannte Widebandgap(WBG)-Semiconductors (d.h. Halbleiter mit großen Bandlücken) wie Siliziumcarbid oder Galliumnitrid verwendet. Auf der anderen Seite geht mit schnellem Schalten jedoch eine schnelle zeitliche Veränderung der Betriebsspannung des Leistungsmoduls einher, die Streuinduktivität der Beschaltung im Gehäuse verursacht. Dies kann zu hohen Spannungsstößen und Rufströmen zwischen den Drain- und Source-Elektroden beim Abschalten des Leistungsmoduls führen kann.
-
Um diesem Problem entgegenzuwirken werden Dämpferkondensatoren eingesetzt. Beispielsweise zeigt
US2018145007A einen Dämpferkondensator, der an einem Leistungseingang eines Leistungsmoduls angeordnet ist. Allerdings sind die bekannten Dämpferkondensatoren derart angeordnet, dass die Wärmeabfuhr vom Dämpferkondensator nicht hinreichend wirksam ist. Insbesondere können der Dämpferkondensator und weitere elektronische Komponenten des Leistungsmoduls durch die Überhitzung beschädigt werden.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Steuergerät bereitzustellen, bei dem die oben beschriebenen Nachteile zumindest teilweise überwunden sind.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Steuergerät und die Verwendung eines solchen Steuergeräts in einem Fahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
-
Das Steuergerät im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs. Das Steuergerät umfasst vorzugsweise einen DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter) oder ein Teil hiervon. Insbesondere dient das Steuergerät 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 generieren.
-
Das Steuergerät weist im Allgemeinen ein oder mehrere Leistungsmodule, einen Zwischenkreiskondensator und einen Kühler auf. Zusätzlich kann das Steuergerät einen Schaltungsträger aufweisen. Ein eingangsseitiger Anschluss zum Einkoppeln eines mittels einer Energiequelle erzeugten Eingangsstroms und ein ausgangsseitiger Anschluss zum Auskoppeln eines basierend auf dem Eingangsstrom erzeugten Ausgangsstroms können ebenfalls im Steuergerät angeordnet sein. Bezogen auf den Eingangsstrom kann das Leistungsmodul bzw. können die Leistungsmodule sowie der Zwischenkreiskondensator parallel zueinander geschaltet sein.
-
Das jeweilige Leistungsmodul basiert auf Leistungshalbleitern, aus denen vorzugsweise eine Brückenschaltungsanordnung gebildet ist. Die Brückenschaltungsanordnung kann eine oder mehrere Brückenschaltungen umfassen, die etwa als Halbbrücken gebildet sind. Jede Halbbrücke umfasst einen Highside-Schalter (HSS) und einen zum Highside-Schalter reihengeschalteten Lowside-Schalter (LSS). Jede Halbbrücke ist einer Stromphase eines mehrphasigen Wechselstroms (Ausgangsstrom) zugeordnet.
-
Der HSS und/oder der LSS umfasst einen oder mehrere Leistungshalbleiterbauteile wie IGBT, MOSFET oder HEMT. Das dem HSS bzw. LSS zugrunde liegende Halbleitermaterial umfasst vorzugsweise ein sogenanntes Wide-Bandgap-Semiconductor (Halbleiter mit einer großen Bandlücke) wie Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN).
-
Der Schaltungsträger weist vorzugsweise einen ersten Abschnitt zur Treiberansteuerung (d.h. zur Einstellung der Gate-Spannungen der Halbbrücken) und einen zweiten Abschnitt zur Steuerung auf. Der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt des Schaltungsträgers umfassen vorzugsweise jeweils eine Leiterplatte (etwa PCB) und bilden vorzugsweise einen kombinierten Treiber- und Steuerleiterplatte (CCDB). Alternativ kann der erste und/oder der zweite Abschnitt einen anderen Typen von Schaltungsträger (etwa mit einem zusätzliche Keramiksubstrat) aufweisen.
-
Zusätzlich zum Zwischenkreiskondensator weist das Steuergerät einen Dämpferkondensator (Engl.: snubber capacitor) auf. Der Dämpferkondensator ist im Gehäuse des Steuergeräts angeordnet, sodass er zum Leistungsmodul parallelgeschaltet ist.
-
Der Kühler dient dazu, die von den Leistungshalbleitern erzeugte Wärme abzuführen und so eine Überhitzung des Steuergeräts zu verhindern. Der Kühler umfasst vorzugsweise einen aus Metall, weiter vorzugsweise Aluminium, gebildeten Kühlkörper, an den die Leistungsmodule thermisch gekoppelt sind. Eine oder mehrere Wärmeleiterschichten können ebenfalls zwischen den Leistungsmodulen und dem Kühlkörper angeordnet sein, um den thermischen Widerstand zwischen den Leistungsmodulen einerseits und dem Kühler andererseits, der etwa aufgrund eines sich dazwischen bildenden Luftspalt relativ hoch ist, zu reduzieren.
-
Zwischen dem Dämpferkondensator und dem Kühler ist eine Isolierschicht vorhanden, die beispielsweise eine Harzschicht aufweist. Die Isolierschicht dient dazu, den Dämpferkondensator sowie die gesamte elektrische Kontaktierung der Leistungsschalter von äußeren Einflüssen seitens des Kühlers schützen, um eine störungsfreie Ansteuerung der Leistungsschalter zu ermöglichen.
-
Die Verbindung zwischen dem Leistungsmodul bzw. den Leistungsmodulen einerseits und dem Schaltungsträger andererseits und/oder die Verbindung zwischen dem Schaltungsträger einerseits und dem Kühler andererseits erfolgt vorzugsweise in Form einer Kleb-, Schraub-, Schweiß-, Steck- und/oder Klemmverbindung.
-
Das Steuergerät kann ein dreiphasiges System zum Umwandeln des Eingangsstroms in einen dreiphasigen Wechselstrom oder ein sechsphasiges System zum Umwandeln des Eingangsstroms in einen sechsphasigen Wechselstrom bilden.
-
Der Dämpferkondensator ist an zumindest zwei Endseiten mit dem Kühler thermisch gekoppelt. Dies vergrößert die Fläche am Dämpferkondensator, der mit dem Kühler thermisch gekoppelt ist. Die thermische Kopplung zwischen dem Dämpferkondensator und dem Kühler ist daher verbessert. Die Wärmeabfuhr vom Dämpferkondensator an den Kühler ist effizienter.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Gemäß einer Ausführungsform stehen die beiden Endseiten des Dämpferkondensators einander entlang einer Längsrichtung der Isolierschicht gegenüber.
-
Auf diese Weise kann die vom Dämpferkondensator abzuführende Wärme entlang der Längsrichtung besonders gleichmäßig verteilt abgeführt werden. Dies Kühlung des Steuergeräts ist daher verbessert.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Dämpferkondensator mittels eines ersten elektrischen Kontakts und eines zweiten elektrischen Kontakts mit dem Kühler thermisch gekoppelt.
-
Der erste elektrische Kontakt ist einer ersten der beiden Endseiten des Dämpferkondensator zugeordnet. Der zweite elektrische Kontakt ist einer zweiten der beiden Endseiten des Dämpferkondensators zugeordnet. Der erste und/oder zweite elektrische Kontakt weist beispielsweise eine Kupferschicht auf. Vorzugsweise ist der Dämpferkondensator mittels einer Lötverbindung mit dem ersten bzw. zweiten elektrischen Kontakt elektrisch und mechanisch verbunden. Diese Kontaktierungsart ist kostengünstig und bietet ein hohes Maß an Robustheit.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind der erste elektrische Kontakt und der zweite elektrische Kontakt in einer Längsrichtung der Isolierschicht voneinander beabstandet angeordnet, um eine Lücke zu bilden.
-
Der Dämpferkondensator kann eine Länge aufweisen, die größer ist als die Länge der Lücke. Somit liegt der Dämpferkondensator auf dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontakt auf.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Dämpferkondensator eine Länge auf, die kleiner ist als die Länge der Lücke.
-
Auf diese Weise kann der Dämpferkondensator durch die Lücke aufgenommen werden, sodass das gesamte Steuergerät eine geringere Bauhöhe hat. Eine kompaktere Bauform ist dadurch ermöglicht.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Dämpferkondensator auf einer der Isolierschicht zugewandten Seite mittels einer Schmierschicht an der Isolierschicht befestigt.
-
Die Schmierschicht stellt einen direkten Kontakt des Dämpferkondensators mit der Isolierschicht bereit. Dadurch, dass die Isolierschicht wiederum direkt am Kühler haftet, kann der Dämpferkondensator zusätzlich zu den in der Längsrichtung einander gegenüberstehenden Endseiten an einer dritten Seite, insbesondere einer Unterseite, mit dem Kühler thermisch gekoppelt werden. Die Wärmeabfuhr vom Dämpferkondensator ist daher weiter verbessert.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind mehrere Dämpferkondensatoren auf der der Isolierschicht zugewandten Seite jeweils mittels einer Schmierschicht an der Isolierschicht befestigt.
-
Die mehreren Dämpferkondensatoren bilden vorzugsweise ein Array. Die mehreren Dämpferkondensatoren können eine einzige Schmierschicht teilen. Alternativ ist zumindest zwei Dämpferkondensatoren, vorzugsweise allen Dämpferkondensatoren, jeweils eine eigene Schmierschicht zugeordnet. Diese Maßnahme ermöglicht ein bauraumoptimiertes Leistungsmodul mit erhöhter thermischer Leitfähigkeit und gleichzeitig verbesserter Rauschreduzierung.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen der erste und der zweite elektrische Kontakt die gleiche Dicke auf.
-
Auf diese Weise kann der Dämpferkondensator im Wesentlichen waagerecht auf den elektrischen Kontakten aufliegen.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt die Dicke des ersten und/oder zweiten elektrischen Kontakts zumindest 1 Millimeter.
-
Diese Maßnahme verbessert die Wärmeabfuhr an den beiden Endseiten. Die Gesamtwärmeabfuhr des Steuergeräts ist dadurch verbessert.
-
Ausführungsformen werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Steuergeräts gemäß einer Ausführungsform;
- 2 eine schematische Darstellung eines Steuergeräts gemäß einer weiteren Ausführung in einer Seitenansicht.
-
In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile. In den einzelnen Figuren sind die jeweils relevanten Bezugsteile gekennzeichnet.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Steuergeräts 100 gemäß einer Ausführung. Das Steuergerät 100 ist vorzugsweise ein Wechselrichter bzw. Inverter. Gezeigt ist ein Abschnitt des Steuergeräts 100, der einen Dämpferkondensator 114, einen ersten elektrischen Kontakt 122, einen zweiten elektrischen Kontakt 124, eine Isolierschicht 128, einen Kühler 130 sowie eine Stromsammelschiene 120 umfasst.
-
Nicht gezeigt, jedoch ebenfalls im Steuergerät 100 enthalten sind ein Zwischenkreiskondensator, der an einer Eingangsseite des Steuergeräts 100 zum Einspeisen einer Eingangsspannung (vorzugsweise einer DC-Spannung einer Batterie) angeordnet ist, sowie eine Brückenschaltung, die zumindest zwei Leistungsschalter aufweist. Die Brückenschaltung dient im Fall eines Wechselrichters dazu, die eingespeiste Eingangsspannung in eine mehrphasige Wechselspannung umzuwandeln. An einer Ausgangsseite des Steuergeräts 100 kann dadurch die mehrphasige Wechselspannung entnommen werden. Es kann bei der Brückenschaltung um eine Halbbrücke handeln. Jede Brückenschaltung ist vorzugsweise einer Phase der mehrphasigen Wechselspannung (bzw. einer Stromphase eines auf der Wechselspannung basierenden mehrphasigen Wechselstroms) zugeordnet werden.
-
Die Brückenschaltung bildet somit ein Leistungsmodul. Bei einem Wechselrichter, der eine DC-Spannung in eine dreiphasige AC-Spannung umwandelt, sind drei solcher Leistungsmodule integriert.
-
Der Zwischenkreiskondensator ist zur Brückenschaltung parallelgeschaltet. Zusätzlich ist der Dämpferkondensator 114, der im Gehäuse des Steuergeräts 100 angeordnet ist, ebenfalls zur Brückenschaltung parallelgeschaltet. Der Dämpferkondensator 114 dient dazu, Fluktuationen in der Drain-Source-Spannung, die in den Leistungsschaltern anliegen und auf Streukapazitäten zurückzuführen sind, zu reduzieren. Die Streukapazitäten sind wiederum mit dem schnellen Schalten bzw. kurzer Schaltzeit, was mit dem Einsatz von WBG-Halbleitern wie SiC oder GaN einhergeht, assoziiert. Die dabei auftretende schnelle zeitliche Veränderung der Drain-Source-Spannung koppelt an die Induktivität des Wechselrichtergehäuses und der umliegenden Beschaltung, was beim Abschalten der Leistungsschalter zu einem starken Rauschen zwischen der Drain- und der Source-Elektrode führt. Mit Hilfe des Dämpferkondensators 114 werden diese Rauschsignale geglättert sodass ein gleichmäßigerer zeitlicher Verlauf der Drain-Source-Spannung beim Schalten der Leistungsschalter ermöglicht wird.
-
Der Dämpferkondensator 114 ist an zwei entlang einer Längsrichtung (mit Pfeil angedeutet) einander gegenüberstehenden Endseiten 134 jeweils mittels einer Lötverbindung 112 mit einem ersten bzw. zweiten elektrischen Kontakt 122, 124 verbunden. Der erste und zweite elektrische Kontakt 122, 124 dienen als Drain- und Source-Elektrode für die im Leistungsmodul enthaltenen Leistungsschalter, insbesondere für die diese umfassenden Halbbrücken. Der erste elektrische Kontakt 122 kann beispielsweise mit einem positiven/negativen Pol des Stromeingangs des Leistungsmoduls verbunden sein, wobei der zweite elektrische Kontakt 124 entsprechend mit Gegenpol, nämlich einem negativen/positiven Pol, des Stromeingangs verbunden ist. Der erste und/oder zweite elektrische Kontakt 122, 124 weist vorzugsweise eine Kupferschicht auf. Die beiden elektrischen Kontakte 122, 124 sind in der Längsrichtung voneinander beabstandet und bilden eine Lücke 126. Die Länge der Lücke 126 ist kleiner als die Länge des Dämpferkondensators 114 sodass der Dämpferkondensator 114 endseitig auf den beiden elektrischen Kontakten 122, 124 aufliegt.
-
Oberseitig eines ersten elektrischen Kontakts 124 (in 1 rechts) ist eine Stromsammelschiene 120 zur Ansteuerung der Leistungsschalter mittels einer weiteren Lötverbindung 116 am ersten elektrischen Kontakt 124 befestigt. Die Stromsammelschiene 120 umfasst beispielsweise eine Busbar mit einer Mehrzahl von Strom- und/oder Spannungsanschlüssen, über die bspw. Gate-Spannungen an den Leistungsschaltern angelegt werden können.
-
Die Isolierschicht 128 umfasst vorzugsweise eine Harzschicht und dient zur Abschirmung von äußeren Einflüssen seitens des Kühlers 130 und der umliegenden elektrischen Komponenten auf das Leistungsmodul. Wie in 1 schematisch gezeigt erstreckt sich die Isolierschicht 128 in der Längsrichtung. Die Isolierschicht 128 befindet sich im direkten Kontakt sowohl mit dem Kühler 130 als auch mit den beiden elektrischen Kontakten 122, 124. Hierdurch ist eine wirksame thermische Kopplung zwischen dem Dämpferkondensator 114 und dem Kühler 130 über die elektrischen Kontakte 122, 124 sowie die Isolierschicht 128 ermöglicht.
-
Ferner weist der Kühler 130 eine Pin-Fin-Struktur 132 auf, mittels derer die Kontaktfläche am Kühler 130 mit einem Kühlmedium (etwa Wasser), welches in durch die Pin-Fin-Struktur 132 definierten Zwischenräumen fließt, wesentlich vergrößert wird. Dies erhöht die Kühlwirkung zusätzlich.
-
In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Lücke 126 zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontakt 122, 124 unbesetzt. Dahingegen ist in der in 2 gezeigten Ausführungsform das Steuergerät 200 derart ausgestaltet, dass die Länge des Dämpferkondensators 214 größer ist als die Länge der Lücke 226. Der Dämpferkondensator 214 ist unterseitig mit einer Schmierschicht 227 versehen und über diese mit der Isolierschicht 228 verbunden. Auf diese Weise liegt der Dämpferkondensator 214 nicht, wie bei der Ausführungsform aus 1 der Fall ist, auf den beiden elektrischen Kontakten 222, 224 auf. Vielmehr liegt der Dämpferkondensator 214 mit der Schmierschicht 227 zusammen auf der Isolierschicht 228 auf. Hierdurch ist der Dämpferkondensator 214 nicht nur an den Endseiten 234, sondern auch an seiner Unterseite 236 mit dem Kühler 230 thermisch gekoppelt. Dies vergrößert die Fläche am Dämpferkondensator 214, die zur thermischen Kopplung mit dem Kühler 230 verfügbar ist. Die Wärmeabfuhr vom Dämpferkondensator 214 und somit vom gesamten Steuergerät 200 wird dadurch verbessert.
-
Der erste und zweite elektrische Kontakt 122, 124, 222, 224 können in der jeweiligen Ausführungsform mit gleicher Dicke ausgebildet sein. Die Dicke beträgt vorzugsweise zumindest 1 mm. Dies stellt eine hinreichende thermische Kopplung sicher. Außerdem kann der Ohm'sche Widerstand an den elektrischen Kontakten 122, 124, 222, 224 auf diese Weise und somit die Wärmeleistung des Steuergeräts 100, 200 reduziert werden.
-
Bis auf die obigen Unterschiede gelten die in Bezug auf in 1 gezeigte Ausführungsform beschriebenen Eigenschaften entsprechend für die in 2 gezeigte Ausführungsform.
-
Bezugszeichenliste
-
- 100
- Steuergerät
- 112, 116
- Lötverbindung
- 114
- Dämpferkondensator
- 118
- Epoxy-Schicht
- 120
- Stromsammelschiene
- 122, 124
- erster, zweiter elektrischer Kontakt
- 126
- Lücke
- 128
- Isolierschicht
- 130
- Kühler
- 132
- Pin-Fin-Struktur
- 134
- Endseiten
- 200
- Steuergerät
- 212, 216
- Lötverbindung
- 214
- Dämpferkondensator
- 218
- Epoxy-Schicht
- 220
- Stromsammelschiene
- 222, 224
- erster, zweiter elektrischer Kontakt
- 226
- Lücke
- 227
- Schmierschicht
- 228
- Isolierschicht
- 230
- Kühler
- 232
- Pin-Fin-Struktur
- 234
- Endseiten
- 236
- Unterseite
-
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
-