Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiter-Modul mit Steckverbindung. Das Leistungshalbleiter-Modul mit Steckverbinder stellt einen integrierten Stromwandler bereit, der sich einfach über die integrierte Steckverbindung mit einem elektrischen Motor verbinden lässt.

Das Leistungshalbleiter-Modul mit Steckverbindung umfasst eine konstruktiv einfache Gruppe, deren Schaltungsanordnung Halbleiterbauelemente mit Leistungshalbleitern in Modulbauweise, integrierte Stromwandler, z.B. Hall-Sensoren, Leistungskontakte an dem Halbleiterbauelement, z.B. blechgeformte Lastkontakte und axial geführter Steckverbinder, z.B. mit Kontaktlamelle umfasst. Durch die sehr kompakte Bauweise, können damit eine Vielzahl von räumlichen Anordnungen bevorzugt an rotationssymmetrischen Anlagen, z.B. an einem integrierten Fahrzeug-Antriebswechselrichter an einem E-Maschinen Wickelkopf, bereitgestellt werden. Die jeweiligen Leistungshalbleiter-Module mit Steckverbindung an einer solchen Anlage, sind dabei einfach zu verbinden und austauschbar, servicefreundlich zu warten und zu testen.

Das erfinderische Leistungshalbleiter-Modul mit Steckverbindung erfüllt damit alle wichtigen Kriterien und Wünsche an die Einsatztauglichkeit eines Leistungshalbleiter-Moduls durch die Art der Konstruktion mit einer integrierten, multifunktionalen Steckverbindung für ein gutes Wärmeabführungsvermögen, die erforderliche Isolationsspannung und Teilentladungsfestigkeit, die Temperatur- bzw. Lastwechselbeständigkeit der internen Verbindungen, der induktivitätsarme, statisch und dynamisch symmetrische und EMV- gerechte interne Aufbau, das definierte, ungefährliche Verhalten bei Moduldefekt, die unkomplizierte Montage- und Anschlusstechnik sowie die kostengünstige, umweltgerechte Fertigung und Recyclebarkeit nach Ende der Lebensdauer.

Stand der Technik

Der Stand der Technik zeigt eine Reihe von Vorrichtungen für Leistungshalbleiter-Module mit Steckverbindungen bzw. Vorrichtungen für Hochstromschnittstellen.

Die US 7,717,747 B2 zeigt eine Fahrzeug-Wechselrichter-Verbindungsanordnung. Die Baugruppe umfasst ein Gehäuse mit mehreren Eingriffsausbildungen an dem Gehäuse, die so geformt sind, dass sie mit mehreren Wechselrichtereingriffsausbildungen an einem Fahrzeugwechselrichter zusammenpassen und mehrere weitere Eingriffsausbildungen an dem Gehäuse, die so geformt sind, dass sie mit mehreren Motoreingriffsausbildungen an einem Fahrzeugmotor zusammenpassen. Weiter sind mehrere Stromsensoren, die mit dem Gehäuse verbunden gezeigt, die so konfiguriert sind, dass sie den zwischen dem Fahrzeugwechselrichter und dem Fahrzeugmotor fließenden Strom erfassen. Die US 2014/035605 A1 zeigt ein Halbleitermodul mit Gehäuse, einen Schaltungsträger mit einem Isolationsträger und einer auf einer Seite des Isolationsträgers aufgebrachten Metallisierungsschicht sowie eine Anschlussfahne mit einem ersten und zweiten Lastanschlussabschnitt und einem Nebenschlusswiderstandsbereich. Der Nebenschlusswiderstandsbereich ist elektrisch zwischen dem ersten und zweiten Lastanschlussabschnitt angeordnet und mit dem ersten und zweiten Lastanschlussabschnitt in Reihe geschaltet. Die Anschlussfahne im Bereich des zweiten Lastanschlussabschnitts ist durch eine erste kohäsive Verbindung mit einem ersten Abschnitt der Metallisierungsschicht elektrisch leitend verbunden. Der erste Lastanschlussabschnitt ist aus dem Gehäuse herausgeführt und hat ein freies Ende, das an der Außenseite des Gehäuses angeordnet ist.

Die WO 2019/034741 A1 zeigt ein Leistungshalbleitermodul mit einem Shunt-Widerstand. In dem Leistungshalbleitermodulen werden Sensorikkomponenten integriert. Für eine einfache Strommessung werden dabei sogenannte Shunt-Widerstände (Konstant-Widerstands- Elemente) verwendet, die auf eigens dafür vorgesehenen Anschlusszonen auf einen keramischen Leistungssubstrat (DCB) mittels Löten montiert werden. Typischerweise wird das eigentliche Widerstandselement des Shunts aus Manganin (CuMnl2Ni) und die Anschlüsse aus Kupfer hergestellt.

Die US 7,187,568 B2 zeigt einen Aufbau für leistungselektronische Schaltungen, die den Leistungsbedarf an einem Gleichstrombus und damit das Auftreten von parasitärer Induktivität reduziert. Der Aufbau zeigt einen Träger, der eine oder mehrere leistungselektronische Schaltungen aufnehmen kann. Der Träger kann die Wärmeabfuhr von den Schaltkreisen dabei durch ein durch den Träger zirkulierendes Fluid unterstützen. Der Träger kann als Abschirmung sowohl gegen externe EMI/RFI als auch gegen Störungen wirken, die durch den Betrieb der leistungselektronischen Schaltungen erzeugt werden. Eine Verbindung der Schaltungen mit externen Schaltungen wird z. B. durch direkten Kontakt zwischen der Klemmenbaugruppe und den AC- und DC-Schaltungskomponenten möglich. Es können dabei modulare Einheiten zusammengebaut werden, die über Steckvorrichtungen oder über eine Schnittstelle mit einer Rückwandplatine oder ähnlichen Montage- und Verbindungsstrukturen mit elektronischen Schaltungen verbunden werden können.

Die DE 102006 027482 B3 beschreibt eine gehauste Halbleiterschaltungsanordnung mit einem Substrat mit Leiterbahnen und hierauf schaltungsgerecht angeordneten Halbleiterbauelementen und mit einer Verbindungseinrichtung, wobei diese aus einem Folienverbund aus mindestens zwei elektrisch leitenden Schichten mit jeweils einer dazwischen angeordneten isolierenden Schicht besteht, wobei mindestens eine leitende Schicht in sich strukturiert ist und somit Leiterbahnen ausbildet. Mindestens eine leitende Schicht weist erste Kontakteinrichtungen zu Anschlussflächen der Halbleiterbauelemente auf. Mindestens ein Teil dieser und/oder einer weiteren leitenden Schicht ist ein Teil mindestens einer zweiten Kontakteinrichtung zur reversiblen Verbindung mit einer externen Zuleitung. Hierbei weist die zweite Kontakteinrichtung mindestens ein Federelement mit einem Widerlager im Gehäuse und/oder mindestens eine Feststellschraube auf.

Die DE 11 2015 003 117 T5 weist eine Halbleitervorrichtung auf, die aufweist: mehrere Leistungselemente; eine leitfähige Platte; einen Stromerfassungsabschnitt, der Strom erfasst. Die mehreren Leistungselemente weisen ein erstes Leistungselement und ein zweites Leistungselement auf. Die leitfähige Platte weist auf: einen ersten Tragabschnitt, mit dem ein erstes Ende des ersten Leistungselements verbunden ist; einen zweiten Tragabschnitt, mit dem ein erstes Ende des zweiten Leistungselements verbunden ist; einen dritten Tragabschnitt, mit dem ein zweites Ende des ersten Leistungselements verbunden ist; einen vierten Tragabschnitt, mit dem ein zweites Ende des zweiten Leistungselements verbunden ist; einen ersten Verbindungsabschnitt; und einen Ausgangsanschluss. Der erste Tragabschnitt ist mit einer ersten Stromversorgung verbunden und der vierte Tragabschnitt ist mit einer zweiten Stromversorgung verbunden. Der Stromerfassungsabschnitt ist an dem Ausgangsanschluss befestigt, und ein Magnetfeld, das durch einen Fluss des Stroms in dem Ausgangsanschluss erzeugt wird, passiert das Stromerfassungsteil.

Weiter gibt es eine Vielzahl von konstruktiv unterschiedlich ausgeführten Hochstromschnittstellen, wie z.B. in der US 2021/156909 A1 oder der EP 16222 26 A1 ausgeführt, die eine Hochstromschnittstelle für Kraftfahrzeuge, mit einem Stecker sowie einer auf diesen Stecker aufschiebbaren Buchse zeigt. Hochstromschnittstellen dieser Art haben gegenüber der herkömmlichen Lösung mit Kabelschuhen, Schraubbolzen und Muttern den Vorteil, dass bei der Montage bzw. zum Lösen der Verbindung keine Einzelteile gehandhabt werden müssen und keine Werkzeuge erforderlich sind. Es ist lediglich erforderlich, den Stecker in die Buchse von Hand einzuführen und darin durch Überwinden eines Druckpunktes beide Teile der Hochstromschnittstelle miteinander zu verrasten.

Der Stand der Technik zeigt, dass Leistungsmodule zumeist Gehäuse mit Schraub-, tonnenförmigen Steck- oder Lötanschlüssen aufweisen. Bei der Mehrheit der Leistungsmodule sind die verschiedenen Hersteller um weitgehende Kompatibilität mit teils historisch gewachsenen Bauformen bemüht.

Die vorliegende Erfindung beseitigt die Mängel des Standes der Technik durch einen neuen Ansatz der bautechnischen Integration eines Leistungshalbleiter-Moduls mit Steckverbindung.

Dabei werden schraubbare Leistungskontakte durch eine einfache und sichere Steckverbindung ersetzt und ein Modul mit den umfangreichen Funktionalitäten einer Spannungswandler-Einheit, Lastkontakten, Stromsensor und Elektro-Maschinenanbindung ausgebildet.

Damit wird z.B. zum einen eine konstruktive Hoch integration außerhalb des Leistungshalbleiter- Moduls ohne eine konstruktive Veränderung des Modulaufbaus ermöglicht und zum anderen eine hohe Leistungsdichte durch die Gesamtsystemintegration aus Inverter und elektrischer Maschine erreichbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine modulare, sowohl funktional als auch bautechnisch hoch integrierte Schaltungsanordnung bereit zu stellen.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Loslagerung des Leistungskontaktes zur Verringerung der Fehleranfälligkeit aufgrund thermischer Spannungen zu erreichen.

Eine weitere Aufgabe ist es geringere parasitäre Elemente als bei herkömmlichen Systemen zu realisieren, Leitungslänge und Bauteilanzahl zu verringern, um die Leistungsdichte zu erhöhen. Damit einher geht die Aufgabe das EMV-Verhalten zu verbessern, da die Ausbreitungswege im Modul und aus diesem heraus die ihrer parasitären Elemente einen gravierenden Einfluss auf die entstehenden Funkstörspannungen haben.

Eine weitere Aufgabe besteht darin die Servicefreundlichkeit zu erhöhen, indem einzeln, einfach austauschbare und testbare Einheiten als Module bereitgestellt werden. Damit einher geht eine Systemdienliche Konstruktion durch Vereinfachung der mechatronischen Integration zwischen Inverter und elektrischer Maschine zum Erzielen höherer Energiedichten.

Weiter Aufgabe ist es, den Strom zwischen Leistungsmodul und elektrischer Maschine zu messen, damit die Regelung der gesamten Antriebseinheit ermöglicht werden kann. Diese Sensorik wird unmittelbar in den Schaltungsaufbau an den Lastkontakt integriert, sodass eine externe Messung mit einer einhergehenden Erhöhung der Bauteileanzahl obsolet wird.

Gelöst wird diese Aufgabe mit dem erfinderischen Leistungshalbleiter-Modul mit Steckverbindung und integriertem Stromsensor nach Hauptanspruch.

Das Leistungshalbleiter-Modul mit Steckverbindung ist derart erfindungsgemäß ausgebildet, dass das Leistungshalbleiter-Modul einen Leistungsmodulaufbau mindestens einem Lastanschluss mit einem AC-Lastanschluss über jeweilige Leistungshalbleiter verbindend aufweist und der Leistungsmodulaufbau die Steckverbindung funktional als Kontaktverbindung und lösbare Halteverbindung integriert.

Weiter kann der Leistungsmodulaufbau mindestes einen Kühlkörper aufweisen.

In einer Ausgestaltung kann der Leistungsmodulaufbau zumindest einen Kühlkörper mit einer DCB (direct bonded copper) - Struktur aufweisen, auf dem die Leistungshalbleiter angebracht sind. Zudem kann der AC-Lastanschluss mit einem Stromsensor gekoppelt sein.

Weiter kann der Leistungsmodulaufbau zumindest einen Flusskonzentrator aufweisen.

Der Leistungsmodulaufbau kann weiterhin in einer Variante einen Leistungsmodulrahmen aufweisen.

Die Steckverbindung kann zumindest zwei korrespondierende Lamellen aufweisen, die derart dimensioniert ausgebildet sein, dass die Steckverbindung mit den Lamellen einen Maschinendraht lösbar fixierend umfasst.

Weiter kann das Leistungshalbleiter-Modul mit Steckverbindung einen Leistungsmodulrahmen aufweisen, der derart das Leistungshalbleitermodul mit Steckverbindung umfasst, dass ein vollumfänglicher Hartverguss des Leistungsmodulrahmens möglich ist, wobei lediglich der Lastanschluss nicht umschlossen wird.

Eine erfindungsgemäße Verwendung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleiter-Moduls mit Steckverbindung kann zur lösbaren Kontaktierung und Halterung an einem jeweiligen Maschinendraht eines Wickelkopfes an einem Statorpaket einer elektrischen Maschine sein.

Dabei wird die Leistungshalbleiter-Schaltungsanordnung auf einem Material mit sehr hoher Stromtragfähigkeit aufgebaut, z.B. einer DCB (direct bonded copper) - Struktur. Die Vorteile der DCB-Technologie gegenüber anderen Bauweisen liegen vor allem in der hohen Stromtragfähigkeit des Kupfers aufgrund dessen Dicke und der guten Kühlung durch ein Keramikmaterial, der hohen Haftfähigkeit des Kupfers auf der Keramik und der sehr guten Wärmeleitfähigkeit der Keramik.

Weiter wird in das Leistungshalbleiter-Modul ein berührungsloser Stromsensor, z.B. ein Hall- Element integriert und der Stromsensor mit zumindest einem magnetischem Flusskonzentrator, z.B. aus NiFe, im Leistungshalbleiter-Modul integriert, dabei sitzt der Stromsensor-IC auf einer starrflexiblen Leiterplatte.

Die Steckverbindung im Leistungshalbleiter-Modul ist als Leistungskontakt mit Lamellen- Steckverbindung ausgelegt und im Leistungshalbleiter-Modul Aufbau integriert.

Das Stecksystem kann auch anders herum ausgeführt werden, so dass der Leistungsmodulausgang als Steckkontakt ausgeführt ist, der in eine Steckverbindung mit Federkontakt gesteckt wird.

Damit ist eine vollständige Isolierung aller Bauteile des Leistungshalbleiter-Moduls mit Steckverbindung z.B. über einen vollumfänglichen Hartverguss des Leistungsmodulrahmens möglich. Der Maschinendraht für die Kontaktierung mit der Steckverbindung des Leistungshalbleiter- Moduls mit Steckverbindung vom Wickelkopf des Statorpakets der elektrischen Maschine ist z.B. als Hair-Pin ausgeführt.

Die am Lastkontakt angeschweißte Steckverbindung mit Lamellen des Leistungshalbleiter- Moduls mit Steckverbindung besteht aus beidseitigem Lamellenförmigem Federblech mit hoher Stromtragfähigkeit, z.B. aus beschichtetem Kupfer-Berrylium.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Abbildungen in der Abbildungsbeschreibung beschrieben, wobei diese die Erfindung erläutern sollen und nicht beschränkend zu werten sind.

Es zeigen:

Abb. 1 ein erstes beispielhaftes Leistungshalbleiter-Modul mit Steckverbindung in perspektivischer Ansicht;

Abb. 2 ein erstes beispielhaftes Leistungshalbleiter-Modul mit Steckverbindung nach Abbildung 1 in einer Aufsicht;

Abb. 3 ein erste beispielhafte Detailansicht eines Leistungshalbleiter-Moduls mit Steckverbindung nach Abbildung 1 in perspektivischer Ansicht;

Abb. 4 ein erstes beispielhaftes Leistungshalbleiter-Modul mit Steckverbindung nach Abbildung 1 in einer ersten Seiten-Schnittansicht;

Abb. 5 ein erstes beispielhaftes Leistungshalbleiter-Modul mit Steckverbindung nach Abbildung 1 in einer zweiten Seiten-Schnittansicht in einer Verbindung mit einem Wickelkopf und

Abb. 6 mehrere erste beispielhafte Leistungshalbleiter-Module mit jeweiliger Steckverbindung nach Abbildung 1 in einer Verbindung mit einem Statorpaket einer elektrischen Maschine in perspektivischer Ansicht.

Abb. 1 zeigt beispielhaft ein erstes Leistungshalbleiter-Modul mit Steckverbindung 1 in perspektivischer Ansicht. Der Leistungsmodulaufbau 2 umfasst eine Steckverbindung 5, die leitungstechnisch über Leistungshalbleiter 6 mit jeweiligen Lastanschlüssen 3 verbunden ist, wobei der Leistungsmodulaufbau 2 zumindest einen Kühlkörper 4 und einen Stromsensor 8 aufweist.

Abb. 2 zeigt beispielhaft ein erstes Leistungshalbleiter-Modul mit Steckverbindung 1 nach Abbildung 1 in einer Aufsicht, so dass die Bauteile, die auf dem Kühlkörper 4 stehen zu sehen sind. Neben dem Steckverbindung 5 ist auf einer eigenen Leiterplatte 10 ein Stromsensor 8 angebracht. Auf der DCB (direct bonded copper) - Struktur 7 sind die jeweiligen Leistungshalbleiter 6 angebracht. Auf der der Steckverbindung 5 gegenüberliegenden Seite ist der Lastanschluss 3 als Fahne bzw. Lasche ausgebildet. Der Leistungsmodulrahmen 9 umschließt die auf dem Kühlkörper 4 stehenden Bauteile des Leistungsmodulaufbaus 2, so dass dieser einer Grenze für einen möglichen Verguss aufweist, wobei die Kontakte für den Lastanschluss 3 und die Steckverbindung 1 aus dem Leistungshalbleiter-Modul hervorstehen und eine einfache und sichere Kontaktierung ermöglichen.

Abb. 3 zeigt beispielhaft eine erste Detailansicht des Anschlusses eines Leistungshalbleiter- Moduls mit Steckverbindung 1 nach Abbildung 1 in perspektivischer Ansicht. Die Steckverbindung 5 sitzt auf dem AC-Lastanschluss 12. Daneben ist der auf der Leiterplatte 10 angebrachte Stromsensor 8 neben dem Flusskonzentrator 11 konfiguriert.

Abb. 4 zeigt beispielhaft ein erstes Leistungshalbleiter-Modul mit Steckverbindung 1 nach Abbildung 1 in einer ersten Seiten-Schnittansicht. Die Steckverbindung 5 mit zwei Lamellen als Kontakt sitzt auf dem AC-Lastanschluss 12 mit dem Stromsensor 8. Der AC-Lastanschluss 12 ist zur DCB (direct bonded copper) - Struktur 7 mit den jeweiligen Leistungshalbleitern geführt. Von der DCB (direct bonded copper) - Struktur 7 geht der Lastanschluss 3 ab. Die DCB (direct bonded copper) - Struktur 7 liegt auf dem Kühlkörper 4 auf.

Abb. 5 zeigt beispielhaft ein erstes Leistungshalbleiter-Modul mit Steckverbindung 1 nach Abbildung 1 in einer zweiten Seiten-Schnittansicht in einer Verbindung mit einem Wickelkopf 15 über einen Maschinendraht 14 auf den die Steckverbindung 5 aufgesteckt ist, wobei die Lamellen 13 den Maschinendraht 14 kraftschlüssig lösbar umfassen. Der gesamte Leistungsmodulaufbau 2 mit dem Kühlkörper 4 wird dabei vom Wickelkopf 15 beabstandet gehalten.

Abb. 6 zeigt beispielhaft mehrere erste Leistungshalbleiter-Module mit jeweiliger Steckverbindung 1 nach Abbildung 1 in einer Verbindung mit einem Statorpaket 16 einer elektrischen Maschine 17, die nicht weiter ausgeführt ist, in perspektivischer Ansicht. Im Beispiel sind sechs Leistungshalbleiter-Module mit Steckverbindung 1 aufgesteckt auf jeweilige aus dem Statorpaket 16 rotationssymmetrisch geführte Maschinendrähte 14 gezeigt. Bezugszeichenliste

1 Leistungshalbleiter-Modul mit Steckverbindung

2 Leistungsmodulaufbau

3 Lastanschluss

4 Kühlkörper

5 Steckverbindung

6 Leistungshalbleiter

7 DCB (direct bonded copper) - Struktur

8 Stromsensor

9 Leistungsmodulrahmen

10 Leiterplatte

11 Flusskonzentrator

12 AC-Lastanschluss

13 Lamellen

14 Maschinendraht

15 Wickelkopf

16 Statorpaket

17 Elektrische Maschine