用于逆变器的半桥模块、以及逆变器的制作方法

1.本发明涉及一种用于电动车辆或混合动力车辆的电驱动器的逆变器的半桥模块以及一种对应的逆变器。


背景技术：

2.在现有技术中已知专有地或辅助地由作为驱动组件的一个或多个电动机器驱动的纯电动车辆以及混合动力车辆。为了给这样的电动车辆或混合动力车辆的电动机器供应电能，电动车辆和混合动力车辆包括电能储存器、尤其可再充电的电池。这些电池在此被设计为直流电压源，然而电动机器一般需要交流电压。因此在电动车辆或混合动力车辆的电池与电动机器之间通常连接有具有所谓的逆变器的功率电子设备。
3.这种逆变器通常包括半导体开关元件，这些半导体开关元件典型地由晶体管构成。在此已知提供不同集成度的半导体开关元件，即作为集成度低然而可扩展性高的分立的单个开关器，或者作为集成度高然而可扩展性低的桥模块，以及作为在集成度和可扩展性方面介于单个开关器与桥模块之间的半桥模块。
4.在de 10 2006 050 291 a1中公开了一种电子组件，该电子组件包括半导体功率开关和半导体二极管。在此，半导体功率开关的底侧包括装配在载条的芯片区上的输出触点，并且半导体功率开关的顶侧包括控制触点和输入触点。半导体二极管的阳极触点被布置在半导体功率开关的输入触点上并且与该输入触点电连接。二极管的阴极触点与功率半导体开关的输出触点电连接。
5.de 10 2006 008 632 a1公开了一种功率半导体构件，该功率半导体构件包括扁平导体框架、至少一个竖直的功率半导体器件和至少一个另外的电子构件。竖直的功率半导体器件具有第一侧和第二侧。至少一个第一接触面和至少一个控制接触面被布置在第一侧上，并且第二接触面被布置在第二侧上。至少一个另外的电子构件被布置在竖直的功率半导体器件的第二接触面上。
6.从de 10 2015 012 915 a1中已知一种具有至少两个半导体元件的半导体模块，这些半导体元件分别在第一侧上具有至少一个第一电极，并且在第二侧上具有至少一个第二电极。第一半导体元件布置在第二半导体元件上，并且在第一半导体元件与第二半导体元件之间布置有导电的连接件，其中第一半导体元件的至少一个第二电极与导电的连接件机械并且电连接，并且第二半导体元件的至少一个第一电极与导电的连接件机械并且电连接。
7.从还尚未公开的de 10 2019 220 010.9(其公开内容应被并入到本专利申请中)中已知一种半桥模块，在该半桥模块中信号端子和功率端子全都被布置在基板的共用侧上并且被模制料包围。功率端子和信号端子都能够从基板的共用侧触及，使得这些功率端子和这些信号端子从该基板的共用侧看延伸穿过模制料，并且在其穿过模制料的穿通方向上看被布置在该基板所跨过的基本区域内。
8.然而，已知的半导体开关元件是有如下缺陷的：这些半导体开关具有相对不利的
散热、不均匀的电流分布、较高的结构空间需求或相对较高的制造成本。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于，提出一种用于电动车辆或混合动力车辆的电驱动器的逆变器的改进的半桥模块。
10.根据本发明，该目的通过用于电动车辆或混合动力车辆的电驱动器的逆变器的半桥模块来实现。
11.本发明涉及一种用于电动车辆或混合动力车辆的电驱动器的逆变器的半桥模块，所述半桥模块包括基板、半导体开关元件、功率端子和信号端子，其中所述信号端子电连接至所述半导体开关元件，使得所述半导体开关元件能够藉由所述信号端子来切换，并且其中所述功率端子电连接至所述半导体开关元件，使得所述半导体开关元件允许或中断所述功率端子之间的电功率传输，其中所述半导体开关元件、所述信号端子以及所述功率端子全部布置在所述基板的第一平面上并且用模制料浇铸，并且其中所述信号端子的外部端子触点和所述功率端子的外部端子触点穿过所述模制料延伸出来。根据本发明的半桥模块的突出之处在于，所述信号端子的外部端子触点和所述功率端子的外部端子触点从四个与第一平面正交的第二平面从所述模制料中延伸出来，并且至少所述信号端子的外部端子触点或所述功率端子的外部端子触点在所述模制料外具有第一直角弯曲部，使得所述信号端子的外部端子触点的端部和/或所述功率端子的外部端子触点的端部指向与所述第一平面的垂直线相同的方向。
12.因此提出一种半桥模块，该半桥模块适合在逆变器中使用，其中逆变器自身适合用于在电动车辆或混合动力车辆中给电动马达供应交流电压。
13.半桥模块包括基板，该基板例如可以被设计为dbc(direct bonded copper，直接敷铜)基板、amb(active metal brazing，活性金属钎焊)基板或im(insulated metal，绝缘金属)基板。一方面在基板上布置有半导体开关元件(尤其晶体管和二极管)，并且另一方面在基板上布置有相关联的功率端子和信号端子。基板优选地被设计为矩形的，尤其被设计为扁平的、盘状的矩形，该矩形具有各两个相反的侧边缘。基板必要时也可以被设计成正方形。
14.信号端子用于电切换半导体开关元件并且对应地与半导体开关元件的信号触点电连接。根据半导体开关元件的设计方案，于是可以通过给信号触点通电或者给信号触点施加电压来以传导电流或阻断电流的方式切换半导体开关元件。
15.功率端子本身与半导体开关元件的功率触点电连接，使得可以借助半导体开关元件将电功率从一个功率端子传输至另一个功率端子。藉由功率端子在此确保对用于驱动电动车辆或混合动力车辆的电动马达的电力供应。
16.根据本发明的半桥模块的半导体开关元件、功率端子和信号端子全部布置在基板的第一平面上，并且功率端子和信号端子可以在那以简单的方式被外部端子触点接触。第一侧优选地是基板的两个相对最大的平面之一。外部端子触点例如可以被设计为金属线、针或导体电路，并且与功率端子或信号端子焊接或连结。
17.为了保护免于环境影响，半导体开关元件、功率端子和信号端子用模制料浇铸。仅信号端子和功率端子的外部端子触点穿过模制料向外延伸，并且因此可以实现信号端子和
功率端子在半桥模块外的电接触。
18.根据本发明，信号端子的外部端子触点和功率端子的外部端子触点从四个与第一平面正交的第二平面从模制料中延伸出来。在此，第二平面是浇铸的基板的“侧面”，这些侧面一般来说比第一平面小很多。因此，只要信号端子和功率端子的外部端子触点不具有直角的第一弯曲部，这些外部端子触点就与第一平面平行地布置。信号端子或功率端子的外部端子触点在模制料外具有第一直角弯曲部。弯曲部在此被实施为使得外部端子触点的端部指向与第一平面的垂直线相同的方向。因此，端部指向形成第一平面的“顶面”的方向，半导体开关元件、功率端子和信号端子布置在该第一平面上。
[0019]“直角弯曲部”在本发明的意义上不仅或不强制地被理解为相对尖锐的弯折，而是弯曲部可以具有半径并且可以被设计为圆形区段或椭圆形区段，只要端子触点在此经历了90
°
的方向改变。
[0020]
通过外部端子触点的这种布置获得制造根据本发明的半桥模块的非常成本有效的可能性，而无需在此使其他主要特征(例如散热、电流分布或结构空间需求)劣化。向上弯曲的端部可以额外地实现相对简单并且因此同样成本有效的外部端子触点的电接触。
[0021]
尤其可以提出：仅信号端子的外部端子触点的端部或一些或所有功率端子的外部端子触点的端部向上弯曲，以便能够以不同的方式方法接触不同类型的外部端子触点。这还有助于简化半桥模块的制造，并且因此有助于降低成本。
[0022]
尤其由此得到如下优点：可以以简单的方式使功率端子和信号端子彼此分离并且可以从上方进行接触。因此，功率端子或信号端子的接触尤其可以三维地进行，使得半桥模块具有几纳亨数量级的换向单元的特别低的漏电感以及同样信号端子的较低的漏电感。换向单元在此形成切换过程期间的电流路径。较低的漏电感用于使切换损耗尽可能小的目的。
[0023]
优选地提出：所述半导体开关元件被设计为具有绝缘栅电极的双极晶体管，并且/或者被设计为碳化硅
‑
金属
‑
氧化物
‑
半导体
‑
场效应晶体管。具有绝缘栅电极的双极晶体管在此通常也被已知为所谓的igbt，并且碳化硅
‑
金属
‑
氧化物
‑
半导体
‑
场效应晶体管通常也被已知为所谓的sic
‑
mosfet。这些类型的半导体开关元件也相对较好地适用于低损耗地且快速地切换较高的电流。
[0024]
特别优选地提出：每个具有绝缘栅电极的双极晶体管指配有续流二极管。续流二极管尤其在切换电功率时保护其相应所指配的、具有绝缘栅电极的双极晶体管免受电感性过电压的影响。
[0025]
根据本发明的一个优选的实施方式提出：所述信号端子的外部端子触点被设计为信号端子触针；并且所述功率端子的外部端子触点被设计为导体框架的延长分支。因此，信号端子触针在此被设计为所谓的“针”，即，被设计为具有圆形或角形截面的线状插接触点。此外可设想的并且还优选的是尤其适于建立焊接连接的所谓的焊针，或者尤其适于压入半桥模块的压入针。这些类型的针是成本有效的、易于成型的并且易于接触的。这些针特别适于传导较低至中等的电流强度。导体框架的延长分支是导体框架的可接触的突起，这些突起用于功率端子与半桥元件的半导体开关元件的功率触点接触。延长分支在此大体上就像导体电路那样设计，并且特别适于传导中等至较高的电流强度。
[0026]
导体框架优选地由金属片冲压而成并且根据需要(即根据要输送的电流强度)具
有适合的金属片厚度和适合的材料。导体框架特别优选地具有三维轮廓，即这些导体框架具有：通过弯曲产生的凸起，这些凸起优选被布置在两个要连接的半导体开关元件或功率端子之间；以及通过弯曲产生的凹部，这些凹部优选被设置成与半导体开关元件或功率端子接触。每个导体框架优选地都是一件式的并且可以取决于其几何形状使多个半导体构件和功率端子相互连接。导体框架还被已知为所谓的“冲裁格栅”。
[0027]
根据本发明的另一个优选的实施方式提出：所述信号端子的外部端子触点和/或所述功率端子的外部端子触点在所述模制料外附加地具有第二直角弯曲部，使得所述信号端子的外部端子触点的端部和/或所述功率端子的外部端子触点的端部与所述第一平面平行地定向并且布置在所述基板所跨过的基本区域内。因此，第二直角弯曲部实现了使得信号端子的外部端子触点或功率端子的外部端子触点大体上u形地形成，其中外部端子触点的端部与第一平面平行地定向并且尤其放置在模制料上。由此得到如下优点：功率端子和信号端子处于基板所跨过的基本区域内，该基本区域与第一平面相对应。在这个设计方案中，由于功率端子和信号端子不再朝侧面延伸，因此获得结构空间优势。
[0028]
根据本发明的另一个优选的实施方式提出：所述信号端子的外部端子触点从两个平行相反的第二平面延伸出来。由此得到如下优点：可以以这种方式各自经由尽可能短的信号线路以及因此低损耗地并且低延迟地来操控基板上的不同的半导体开关元件。
[0029]
根据本发明的另一个优选的实施方式提出：所述功率端子的外部端子触点从四个第二平面延伸出来。因此，至少一个功率触点从四个第二平面中的每个第二平面延伸。这可以实现功率端子经由尽可能短的导体电路或导体框架的简单的可接触性。
[0030]
根据本发明的另一个优选的实施方式提出：所述功率端子被设计为负极端子、相端子和正极端子，其中所述负极端子和所述相端子从两个平行相反的第二平面延伸出来。因此提供不同类型的功率端子，即正极端子、负极端子和相端子，其中正极端子用于馈送电流，并且负极端子用于导出电流。最后，相端子用于通过提供交流电压来为电动马达实际供应电流。负极端子和相端子布置在两个平行相反的第二平面外同样有利于功率端子、尤其负极端子和相端子经由尽可能短的导体电路或导体框架的简单的可接触性。
[0031]
根据本发明的一个特别优选的实施方式提出：所述正极端子从与所述负极端子和所述相端子从其延伸出来的所述第二平面相正交的两个平行相反的第二平面延伸出来。这实现了功率端子、尤其正极端子经由尽可能短的导体电路或导体框架的进一步改善的可接触性。
[0032]
根据本发明的另一个优选的实施方式提出：所述半桥模块包括两个附加的电端子，这些附加的电端子与所述半桥模块的电连接被设计为用于提供针对操控电流的返回布线。在此，在具有绝缘栅电极的双极晶体管中附加的电端子之一被用作所谓的开尔文发射器(kelvin
‑
emitter)，并且在碳化硅
‑
金属
‑
氧化物
‑
半导体
‑
场效应晶体管中附加的电端子之一被用作所谓的开尔文源(kelvin
‑
source)。所谓的开尔文发射器和所谓的开尔文源都用作针对操控电流的返回导体。通过这种类型的接触使负载电流对操控电流的影响最小化。此外，功率端子结合两个附加的电端子中的一个电端子可以被用来实现电感短路检测。为此，优选地测量功率端子与附加的电端子之间的电压降。
[0033]
操控电流在此被馈送给半导体开关元件的信号触点并且以传导电流或阻断电流的方式切换半导体开关元件。
[0034]
根据本发明的一个特别优选的实施方式提出：所述两个附加的电端子的外部端子触点从与所述信号端子的外部端子触点相同的第二平面延伸出来。这在两个附加的电端子的外部端子触点以及半导体开关元件的信号触点的可接触性方面被证实为有利的。
[0035]
本发明还涉及一种用于电动车辆或混合动力车辆的电驱动器的逆变器，所述逆变器包括至少三个根据本发明的半桥模块。因此，结合根据本发明的半桥模块已经描述的优点也适用于根据本发明的逆变器。
附图说明
[0036]
下面借助在附图中展示的实施方式示例性地说明本发明。
[0037]
在附图中：
[0038]
图1示例性且示意性地示出了用于电动车辆或混合动力车辆的电驱动器的逆变器的根据本发明的半桥模块的可能的结构，而没有示出信号端子的外部端子触点和功率端子的外部端子触点，
[0039]
图2a
‑
2c示例性且示意性地示出了根据本发明的半桥模块的可能的实施方式，
[0040]
图3示例性且示意性地示出了用于电动车辆或混合动力车辆的功率电子设备的根据本发明的逆变器的可能的实施方式，
[0041]
图4a
‑
4c示例性地示出了功率端子的不同的外部端子触点通过汇流排的不同的接触可能性，以及
[0042]
图5以示意性的侧视图示出了图4c的半桥模块以及冷却装置，半桥模块1布置在该冷却装置上。
[0043]
相同的物体、功能单元和类似的部件贯穿附图用相同的附图标记表示。这些物体、功能单元和类似的部件在其技术特征方面实施为相同的，除非从说明书中明确地得出或隐含地得出例如其他形式。
具体实施方式
[0044]
图1示例性且示意性地示出了用于电动车辆或混合动力车辆的电驱动器的逆变器20的根据本发明的半桥模块1的可能的结构。为了清楚起见，未展示模制料17。半桥模块1包括：基板2，该基板根据示例被设计为具有陶瓷性的载体板和两侧的铜涂层16的dbc(direct bonded copper，直接敷铜)基板2；以及以平面的方式布置在基板2的第一平面15上的半导体开关元件3、功率端子4、5、6和信号端子7。功率端子在图1的图示中被导体框架8的延长分支8'覆盖。导体框架8的延长分支8'从上方接触功率端子4、5、6，并且随后作为功率端子的外部端子触点14从四个与第一平面15正交的第二平面18的侧面从模制料17中延伸出来。功率端子4、5、6被设计为正极端子6、负极端子4和相端子5。正极端子6和相端子5藉由导体框架8电连接至半导体开关元件3，使得半导体开关元件3允许或中断功率端子4、5、6之间的电功率传输。信号端子7本身电连接至半导体开关元件3，使得半导体开关元件3可以藉由信号端子7来切换。根据示例，信号端子与半导体开关元件3的电连接藉由接合线9进行。根据示例，信号端子的外部端子触点13被设计为信号端子触针13，并且从两个平行相反的第二平面18延伸出来。这些外部端子触点各自具有第一直角弯曲部，使得信号端子的外部端子触点13的端部指向与第一平面15的垂直线相同的方向。此外，半桥模块1包括两个附加的电端
子的外部端子触点19，这些附加的电端子与半桥模块1的电连接被设计为用于提供针对操控电流的返回布线。如可以看到，两个附加的电端子的外部端子触点19从与信号端子的外部端子触点13相同的第二平面18延伸出来。根据示例，半导体开关元件3被设计为所谓的具有绝缘栅电极的双极晶体管3，其也被已知为绝缘栅极型双极晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)。
[0045]
图2a示例性且示意性地示出了根据本发明的半桥模块1的可能的实施方式，该半桥模块具有信号端子的外部端子触点13并且具有功率端子的外部端子触点14。功率端子4、5、6、信号端子7和半导体开关元件3在图2中无法看到，原因在于它们被模制料17覆盖。仅信号端子的外部端子触点13和功率端子的外部端子触点14从四个相对于第一平面15正交的第二平面18的侧面从模制料17中延伸出来。在模制料17下方，信号端子的外部端子触点13与信号端子7导电地连接，并且功率端子的外部端子触点14与功率端子4、5、6导电地连接。如可以看到，信号端子的外部端子触点13具有第一直角弯曲部，使得信号端子的外部端子触点13的端部指向与第一平面15上的垂直线相同的方向。这可以实现信号端子的外部端子触点13的简单的可接触性。信号端子的外部端子触点13在此被设计为信号端子触针13，并且从两个平行相反的第二平面18延伸出来。与此相比，功率端子的外部端子触点14从所有四个第二平面18延伸出来。根据功率端子的外部端子触点14与功率端子4、5、6在模制料17内的电连接，这些功率端子的外部端子触点允许接触正极端子6、负极端子4和相端子5。此外，半桥模块1包括两个附加的电端子的外部端子触点19，这些附加的电端子与半桥模块1的电连接被设计为用于提供针对操控电流的返回布线。如可以看到，两个附加的电端子的外部端子触点19从与信号端子的外部端子触点13相同的第二平面18延伸出来。
[0046]
图2b示出了根据本发明的半桥模块1的另一个可能的设计方式。图2b的半桥模块1与图2a的半桥模块1的不同之处仅在于：功率端子的外部端子触点14同样具有第一弯曲部，使得这些外部端子触点的端部同样指向与第一平面15的垂直线相同的方向。
[0047]
图2c示出了根据本发明的半桥模块1的又另一个可能的设计方式。图2c的半桥模块1与图2b的半桥模块1的不同之处在于：功率端子的外部端子触点14除了第一弯曲部之外还具有在第一直角弯曲部之后的第二直角弯曲部，使得功率端子的外部端子触点14的端部平行于第一平面15定向并且布置在基板2所跨过的基本区域内。因此，功率端子或信号端子的接触可以从上方进行，使得半桥模块具有换向单元的特别低的漏电感以及信号端子的同样较低的漏电感。
[0048]
图3示例性且示意性地示出了用于电动车辆或混合动力车辆的电驱动器的根据本发明的逆变器20的可能的实施方式。根据示例，逆变器20包括五个根据本发明的半桥模块1，其中第一汇流排11a藉由功率端子的对应的外部端子触点14接触各相端子5。与此相比，第二共用汇流排11b或第三共用汇流排11c藉由功率端子的对应的外部端子触点14接触正极端子6以及负极端子4。借助于(在图3中未展示的)烧结层，半桥模块1被布置在被设计为水冷却器的冷却装置12上。
[0049]
图4示例性地示出了功率端子的根据其设计方式而不同的外部端子触点14通过汇流排11a、11b和11c的不同的接触可能性。在图4a中，功率端子的外部端子触点14例如不具有弯曲部，即直线地从第二平面18延伸出来。这通过将汇流排11a、11b和11c从上方安置到功率端子的外部端子触点14上可以实现非常简单并且成本有效的电接触。连接点可以钎焊
或者焊接。相比之下，图4b的实施例示出了功率端子的外部端子触点14，这些外部端子触点分别具有第一直角弯曲部。功率端子的外部端子触点14相对应地向上指向。因此建立与汇流排11a的电连接，其方式为：将汇流排11a对接到功率端子的两个前方的外部端子触点14处。在这种情况下，连接点还可以钎焊或者焊接。与此相比，汇流排11b可以从上方全面地与功率端子的侧面的外部端子触点14进行电连接。在此，由于产生汇流排11b和功率端子的两个侧面的外部端子触点14的机械应力，因此汇流排11b的连接点不必与功率端子的这两个外部端子触点14强制地钎焊或者焊接。因此产生特别成本有效的电连接。在图4c中示出的实施例具有功率端子的外部端子触点14，这些外部端子触点分别具有第一直角弯曲部和第二直角弯曲部。由此，功率端子的外部端子触点14可以相对简单并且节省空间地从上方被汇流排11a、11b和11c接触。如可以看到，汇流排11c被引导至汇流排11b下方，因此得到三维换向单元。图5以示意性的侧视图示出了图4c的半桥模块1以及冷却装置12，半桥模块1布置在该冷却装置上。在图5中可以特别好地看到三维换向单元，该三维换向单元由汇流排11a、11b和11c、功率端子的外部端子触点14以及模制料17覆盖的功率端子4、5和6以及半导体开关元件3构成。
[0050]
附图标记清单
[0051]
1 半桥模块
[0052]
2 基板
[0053]
3 半导体开关元件，碳化硅
‑
金属
‑
氧化物
‑
半导体
‑
场效应晶体管，具有绝缘栅电极的双极晶体管
[0054]
4 功率端子，负极端子
[0055]
5 功率端子，相端子
[0056]
6 功率端子，正极端子
[0057]
7 信号端子
[0058]
8 导体框架
[0059]
8' 导体框架的延长分支
[0060]
9 接合线
[0061]
11 汇流排
[0062]
11a 第一汇流排
[0063]
11b 第二汇流排
[0064]
11c 第三汇流排
[0065]
12 冷却装置，水冷却器
[0066]
13 信号端子的外部端子触点，信号端子触针
[0067]
14 功率端子的外部端子触点
[0068]
15 第一平面
[0069]
16 铜涂层
[0070]
17 模制料
[0071]
18 第二平面
[0072]
19 附加的外部端子的外部端子触点
[0073]
20 逆变器