用于车辆的电驱动器的电子器件模块的逆变器机构

技术领域

本发明涉及电动汽车领域，尤其是涉及用于电驱动器的电子器件模块。

背景技术

近几十年来，机动车辆中电子器件模块(例如功率电子器件模块)的使用显著增加。这一方面归因于对改善燃油经济性和车辆功率的必要性，并且另一方面归因于半导体技术的进步。针对此类电子器件模块的突出示例是DC/AC逆整流器(逆变器)，其被用于以多相交流电对诸如电动马达或发电机那样的电机通电。在此，从借助诸如电池那样的DC能量源产生的直流电被转换成多相的交流电。为此目的，电子器件模块包括用来实现桥式电路(例如半桥)的多个电子器件构件，例如也被称为功率半导体的半导体功率开关。

在电子器件模块，尤其是逆整流器中，将微电子的和非电子的微型部件相关联地形成完整的系统通常需要使用所谓的组装和连接技术。这涉及复杂的方法，该方法造成逆整流器的制造成本很高。为了减少制造花费并同时实现足够高的功率密度，因此在既定的半导体材料(例如硅)时使用框架模块。

然而，当使用具有宽带隙(英语：Wide-Bankgap)的新型半导体(例如碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN))时，此类框架模块并不像在既定的半导体时那样可用。这导致对此类框架模块的少数供应商的依赖性增加，从而可能不得不考虑交货短缺或价格上涨。由于这些原因，使得框架模块尤其对于大批量生产是不利的，主要是因为大的框架模块具有输出电流的可扩展性差的附加缺点。

为了避免上述问题，开发了一种在本专业领域中被称为分立电源开关封装技术。在该方法中，电流从逆整流器的电池接口出发被导引到中间回路电容器。

在迄今已知的布置中，从中间回路电容器出发前后相继地布置有功率半导体，即形式为高边或低边开关HS或LS的半导体功率开关，它们一起形成半桥。这意味着，它们不是并排布置，而是以它们的截取AC电流的电接触接口彼此相对置，从而例如使得HS的电接触接口比LS的电接触接口更靠近中间回路。

在该布置中存在多个缺点。其中之一是，由于HS和LS的电流路径长度不同，使得DC区域中的电换向不对称。这种不对称的布置导致换向单元占用空间变大，这使得漏感提高并且在该情况下使功率半导体的开关性能恶化。另一个缺点是，在平行的模块的数量增加时，逆变器分别增长了在一个维度、即长度x上的平行的模块的数量(乘以电相)。此外，功率开关的这种串行的结构需要复杂的设计用来耦入来自能量源的DC电流以及用来将AC电流耦出到电机(例如电动马达)。例如，可能需要多维度的母线设计，由此造成对母线横截面的更高的要求，以便承载所需的电流。这也意味着，用于相到逆变器的末端的AC汇流排非常长，并且DC汇流排无法以低电感方式引导。此外，所有模块都必须成串地前后相继地被冷却，以此使得最后的模块在其输入端处具有明显更高的冷却水温度。因此，它无法承受如此高的负载，这是因为功率半导体与冷却水之间的温差较小。这可能会导致人为地限制逆变器的整体功率。

在由申请人提出的替选的布置中，在两侧接触的功率半导体HS或LS围绕中间回路彼此相邻布置。它们的输入侧的电接触接口指向中间回路。因此实现了更短的换向单元和低电感的DC汇流排。在此不利的是，出现了基本上呈方形的形状，该形状不能以简单方式集成到通常所设置的细长的结构空间中。

发明内容

因此，本发明的任务是，提供一种逆变器机构，其中，至少部分地克服了上述缺点。

该任务通过根据独立权利要求的电子器件模块的逆变器机构以及这样的具有逆变器机构的电子器件模块在车辆中的应用来解决。有利的设计方案是从属权利要求的主题。

提出了一种用于车辆的电驱动器的电子器件模块的逆变器机构。逆变器具有至少一个沿第一轴线布置的电流相，其也被简称为相，并且具有针对每个电流相的(同样沿第一轴线布置的)用于耦入借助能量源产生的正的或负的DC输入电流的输入侧的正的电流接口和输入侧的负的电流接口。(多个)电流相被设置成用于将基于DC输入电流产生的AC输出电流耦出，该AC输出电流由基于半导体的桥式电路产生。此外(相对于输入侧的电流接口)设置有与桥式电路并联的中间回路，其具有至少一个电容器以及至少一个布置在中间回路与基于半导体的桥式电路之间的冷却体。因此，基于半导体的桥式电路位于冷却体上。

此外，针对每个电流相，基于半导体的桥式电路具有至少一个半桥，其分别由高边开关HS和与高边开关相对置布置并与之平行接连的低边开关LS形成，并且其中，其中每个电流相布置在所属的高边开关与低边开关之间并且布置在冷却体上，并且每个高边开关和每个低边开关分别经由第一电接触接口直接与电流相电连接。

在一个实施方案中，设置有两个或三个电流相或二的倍数个或三的倍数个电流相，它们各具有半导体模块。电流相进而是半导体模块彼此平行布置。

根据本发明的逆变器机构在多个方面减少了上述现有布置的缺点。通过对电流相的HS和LS的布置，也就是说将迄今为止平行的功率半导体HS或LS的布置方向旋转了90°(y轴)而提供了矩阵布置。由此电流相可以在一个方向(第一轴线、x轴)上被延长，这意味着，可以通过调整半桥的数量来调整功率。在另一个方向(第二轴线、y轴)上可以实现并行化，即提高电流相的数量。因此，当将多个功率半导体HS或LS并行布置在一个模块中时，延展度将不再像迄今为止那样只发生在纵向方向或者说x方向上。HS或LS包括冷却部在内地也可以布置在中间回路上并且通过该三明治结构形式节省了结构空间。

此外，一个电流相或多个电流相由于布置在高边开关与低边开关之间而被更好地冷却，这是因为一个电流相或多个电流相被直接放置在冷却体上。将(多个)电流相直接布置在冷却体上，即不再位于构件或DC汇流排上方，使得电流相可以被设计用于更高的电流，即被设计得更厚并也可以被同时冷却。

在一个实施方案中，冷却体一件式地形成并且被设置在所有半导体模块的下方。在替选的实施方案中，冷却体多件式地形成，使得为每个半导体模块设置有冷却体。通过对各个电流相的并行冷却减少了多个电流相的串行冷却的热学方面的缺点。通过冷却体的多件式的实施方案可以实现针对每个电流相的冷却。因此，使得模块可以由包括所属的冷却体在内的半导体模块来提供，其中一个或多个冷却体可以彼此并行地装配在中间回路上。因此，能实现模块化的结构形式。

在一个实施方案中，中间回路的电容器实施成单体。在替选的实施方案中，中间回路的电容器针对每个半导体模块被划分成一个或多个彼此电连接的电容器。在这种情况下，可以为每个电流相设置一个电容器壳体，从而在这里也能实现模块化的结构。根据实施方案而定，也可以为每个电容器卷轴设置有单独的壳体。

在一个实施方案中，每个高边开关HS和每个低边开关LS在与第一电接触接口相对置的一侧上分别具有用于与所属的输入侧的电流接口接触的第二电接触接口。

在一个实施方案中，正和负的输入侧的电流接口均在电流相的同一侧上从中间回路引导出来，并且其中一个电流接口引导经过半桥和电流相以用于接触所属的高边开关或低边开关，在替选的实施方案中，正和负的输入侧的电流接口分别布置在电流相的不同侧上。

在一个实施方案中，为每个半导体模块设置至少三个半桥。

在一个实施方案中，为半导体模块的每个HS和每个LS设置有具有宽的带间距的不同类型的功率半导体。因此可以更好地实现对半导体开关的不同要求，例如更快地切换仅一个半导体开关。

在一个实施方案中，每个高边开关与中间回路的正接触部联接并且每个低边开关与中间回路的负接触部联接。

此外，提出了具有逆变器机构的电子器件模块的用于驱控配备有电驱动器的车辆的电驱动器的用途。

此外，提出了用于驱控车辆的电驱动器的电子器件模块，其具有逆变器，逆变器具有所提出的电路机构或半桥。

此外，提出了具有构造成用于驱控电驱动器的电子器件模块的车辆的电驱动器。

此外，提出了具有带电子器件模块的电驱动器的车辆。

本发明的另外的特征和优点由以下对本发明的实施例的描述、结合示出根据本发明的细节的图示的附图以及由权利要求得出。在本发明的变体中，各个特征可以单独或以多种任意组合方式来实现。

附图说明

下面参照附图更详细地解释本发明的优选实施方式。

图1示出根据本发明的一个实施方案的具有三个电流相AC1～AC3的逆变器机构的俯视图；

图2示出图1中所示的逆变器机构的剖视图；

图3示出根据本发明的替选的实施方案的具有三个电流相AC1～AC3的逆变器机构的俯视图；

图4示出根据本发明的替选的实施方案的具有对称的AC电流抽头的逆变器机构的电流相的俯视图。

在以下附图描述中，相同的元件或功能设有相同的附图标记。

具体实施方式

图1中示出了根据一个实施方式的逆变器机构的俯视图。图2示出了图1中所示的逆变器机构的剖视图。

图3中示出了替选的实施方案，其中，正的或负的输入侧的电流接口DC+或DC-(DC轨)没有布置在电流相AC1～AC3的同一侧上，而是布置在电流相AC1～AC3的不同侧上。正的输入侧的电流接口DC+在此布置在高边开关HS的侧上，而负的输入侧的电流接口DC-在此布置低边开关LS的侧上。因此，缩短了接触路径。

图4中示出了一个实施方案，其中示出了两个对称的抽头(作为在电流相或AC轨AC1上的两个回路示出)。电流相或AC轨AC1上的居中的抽头也是可能的。为清楚起见，在此仅示出了一个电流相AC1。

如开头已经提到的那样，在迄今已知的逆变器中，多个由彼此对置布置的且能在两侧接触的功率半导体(即高边开关HS或低边开关LS)构成的半桥并排布置，从而使逆变器的长度为总的电流相的数量“乘以”半桥的数量。相截取发生在两个功率半导体之间的中间，其中，这些功率半导体相互接触、例如焊接，并具有共同的向上指向的AC相抽头。当不存在AC轨(电流相AC1～AC3)时，功率半导体仍彼此接触。此外，中间回路布置在半导体模块的一部分旁边，从而使得距中间回路更远地布置的功率半导体(即高边开关HS或低边开关LS)必须具有更大的线路长度。在此不利的是，DC范围内的电换向(输入电流)是不对称的，这是因为例如“DC+”轨比“DC-”轨短，并且“DC-”轨必须引导经过功率半导体。

在此不利的是，平行的模块的数量的增加分别增长了在一维、即长度x上的平行的模块的数量“乘以”电流相的数量，从而用于电流相AC1～AC3到逆变器的末端的AC汇流排很长，并且DC汇流排不能以低电感方式引导。这样的电子器件模块虽然是扁平的，但需要相对较大的面积。

作为该解决方案的替选方案已经提出的是，将能在两侧电接触的功率半导体围绕中间回路电容器成串地布置，与上述方案相比，这导致优化的换向，但具有的缺点是通常不适合可用的结构空间的非常方形的形状。

此外，所有已知布置方案所不利的是，所有模块成串地前后相继地被冷却，以此使得最后的模块在其输入端处具有明显更高的冷却水温度，并因此不能承受如此高的负载，这是因为半导体开关与冷却水之间的温差较小。这可能会导致人为地限制逆变器的整体功率。

根据本发明的逆变器机构通过提供(在多个电流相AC1～AC3情况下生成的)矩阵布置来弥补现有的使得逆变器长度增长的布置的缺点。在此，平行的功率半导体(即高边开关HS和低边开关LS)的布置方向旋转了90°(y轴)。因此，平行的功率半导体(即高边开关HS和低边开关LS)的针对功率提升的数量的提高不沿着平行的电流相的轴线发生。优选地，半桥的所有HS分别联接到中间回路14的正接触部DC+，而半桥的所有LS分别联接到中间回路14的负接触部DC-。

通过将(多个)电流相AC1～AC3布置在高边开关HS与低边开关LS之间，可以实现电流相AC1～AC3的更扁平的结构形式和冷却，这是因为这些电流相直接放置在冷却体131～133上。因此，更高的电流、例如900A左右的电流可以流过电流相AC1～AC3，而电流相不会变得过热。此外，这防止了电流相AC1～AC3(即AC母线)必须通过DC轨(DC+/DC-)来引导。

尤其地，为了能够提供更高的电流，为每个电流相AC1～AC3设置至少3个半桥。根据高边开关HS和低边开关LS的实施方案以及其他预定标准，也可以有利地为每个电流相AC1～AC3设置五到八个半桥或者甚至多于八个半桥。图中示出了每个电流相AC1～AC3具有六个半桥的实施方案。

此外，可以实现将中间回路电容器14布置在冷却体131～133的下方，从而实现了三明治结构。因此，每个电流相AC1～AC3在宽度(y轴)上需要的空间更少。

通过提供对各个电流相AC1～AC3的并行冷却，即对每个电流相AC1～AC3的单独冷却，可以减少串行冷却的热学上的缺点。此外，通过为每个电流相AC1～AC3设置有一个冷却体131～133，可以满足设置在各自的电流相AC1～AC3的半导体模块(即高边开关HS和低边开关LS)上的功率半导体的不同冷却要求。此外，电流相AC1～AC3到机器的共同传输点的线路的必要长度被减少到最小，这是因为电流相AC1～AC3的线路在局部相互靠近，也就是说间距约为1×模块的长度。在迄今的设计中，间距例如是0.5×平行的模块的数量×模块的宽度数量。通过在电流相AC1～AC3上设置居中或对称的抽头，也可以在高边开关HS与低边开关LS之间实现更均匀的负载分配，这是因为电阻和电感不沿(多个)电流相AC1～AC3到电机的抽头而增加。

高边开关HS和/或低边开关LS包括一个或多个功率半导体构件，结合本申请也被简称为半导体，例如IGBT或MOSFET。HS和LS形成桥式电路的半桥。桥式电路能安装在电路板上，从而使得功率开关能借助位于电路板的装备侧上的电接触部与控制器、例如车辆的电子控制单元(ECU)电连接和/或信号连接。控制器因此能够驱控功率开关HS或LS，以用于运行配备有相应驱动器的车辆的电驱动器，尤其是为了给电机通电。电路板可以具有印制电路板(例如PCB)或柔性的电路板。

为了阐明本发明的原理，图1至图3中示出了具有三个电流相AC1～AC3的逆变器机构的不同的实施方案。为了清楚起见，在图4中示出了仅一个电流相AC1。然而，也可以设置仅一个具有一个半桥或两个半桥的电流相AC1；AC2；AC3或者设置更多个结构相同的电流相，例如二的或三的倍数，例如六、九、十二等。电流相AC1～AC3越多并且功率越大(即为每个电流相AC1～AC3设置的功率半导体越多)，根据本发明的逆变器机构的优点表现得就越好。

对于每个电流相AC1～AC3，所示的逆变器机构具有至少一个半桥，半桥分别由能在两侧电接触的HS和与之平行布置且接连的、以及能在两侧电接触的LS形成。对于每个电流相AC1～AC3，DC电流供应(DC+/DC-)在一个实施方案中从HS或LS的一侧(在图1的俯视图中的右侧)进行，从而使得其中一个DC电流轨必须引导经过电流相AC1～AC3(在图1和图2中是低边开关LS的DC供应部)。替选地，DC电流供应(DC+/DC-)在属于HS或LS的一侧上进行，即DC-供应部被设置在低边开关LS的一侧上，而DC+供应部被设置在高边开关HS的一侧(在图3和图4的俯视图中可以看到)。这种实施方案提供的优点是，DC汇流排不必沿着HS和LS在上方引导，从而因此可以实现更低的结构形式。在后一种情况下，可以在电流相AC1和AC3的外部区域处分别设置附加的、未联接的且与所联接的DC电流轨极性相反的电流轨，以便减少漏感，如图3和图4中所示。

根据功率要求，在该布置中可以并联更多或更少的半导体模块，而不会对半导体模块的电接合产生任何不利影响。因此，逆变器在y方向上加宽，而不是像迄今那样在x方向上加宽。通过如下方式也可以在不明显影响电接合的情况下进行功率调整，即，在x方向上设置更多或更少的半桥，即高边开关HS和低边开关LS。根据本发明的矩阵布置，其中，电流相在第一方向(y轴)上相互平行布置，而在第二方向(x轴)上通过调整半桥的、即高边开关HS和低边开关LS的数量来进行功率调整，使得能够实现在改变“电流相”和“功率调整”参数时对一个方向最小的依赖性。

通过分立的方案和优化的换向单元，使得逆变器机构能够实现在逆变器内使用不同的半导体类型。所选的半导体类型有利的是那些允许主动切换并具有宽的带隙或者说宽的带间距(英文：wide bandgap)的半导体，如Si-IGBT、SiC-Mosfet、SiC-Kascode、GaN。这意味着，不仅可以在逆变器机构中使用不同的功率半导体，而且也可以在逆变器机构内部，即在每个半导体模块内部同时使用不同类型的半导体。

冷却体131～133用于排导由功率半导体，即HS或LS以及逆变器的(多个)电流相AC1～AC3产生的热量。有利的是，给每个半导体模块设置有一个冷却体131～133，从而使得每个电流相AC1～AC3具有自己的冷却体131～133进而具有自己的冷却支线。因此，冷却可以与各自的半导体模块的所使用的构件相协调，即设置有专门的冷却区域。此外，因此可以实现模块化的结构形式，其中，半导体模块与所属的冷却体131～133一起可以作为共属的模块来提供，其中多个模块可以平行地，也就是说每个电流相AC1～AC3的一个模块，以简单的方式并排设置，如图中所示。冷却体131～133的冷却支线(其中每个电流相AC1～AC3存在一个冷却支线)要么可以单独实施，要么可以在DC轨以外的区域中汇集。

尽管恒定的DC电压是值得期待的，但由于寄生影响，使得DC电压可能会出现电压纹波。为了抵消这些电压纹波，电子器件模块包括中间回路14，该中间回路具有中间回路电容器。中间回路电容器可以单体式地实施，如图1和图2所示。替选地，它可以在不同的分立化步骤中实施为针对每个卷轴的独立的壳体。

桥式电路与电路板之间的连接和/或电路板与冷却器之间的连接优选是以粘接、螺接、焊接、插接和/或夹接方式进行。

在本发明范围内的电子器件模块用于运行车辆的、尤其是电动车辆和/或混合动力车辆的电驱动器。电子器件模块包括具有所述逆变器机构的DC/AC逆整流器(英文：Inverter)或其一部分。电子器件模块还可以包括AC/DC整流器(英文：Rectifier)、DC/DC转换器(英文：DC/DC Converter)、变压器(英文：Transformer)和/或其他电转换器或这种转换器的一部分，或者是它们中的一部分。尤其地，电子器件模块用于为电机、例如电动马达和/或发电机供电。DC/AC逆整流器优选用于从借助能量源(如电池)的DC电压产生的直流电产生出多相的交流电。

用于车辆、尤其是乘用车辆和商用车辆以及公共汽车的电驱动器的逆变器是为高伏特范围所设计，并且尤其被设计在从大约650伏特起的阻断电压等级中。

附图标记列表

14 中间回路

131～133 冷却体

AC1～AC3 AC电流相/输出侧的电流接口

DC+/DC- DC输入电流

HS 高边开关

LS 低边开关