用于操作带中间电路电容器的电动车辆驱动器的功率模块的制作方法

1.本实用新型涉及电动汽车领域，尤其涉及用于操作车辆的电驱动器的功率模块领域。


背景技术：

2.功率模块、尤其是集成的功率模块越来越多地被用于机动车辆。这种功率模块例如在dc/ac逆变器(inverter)中使用，这些dc/ac逆变器用于以多相交流电流来给电动机器、例如电动机通电。在此，将由借助于dc能量源(例如电池)产生的直流电流转换成多相交流电流。功率模块是基于功率半导体、尤其晶体管(例如igbt、mosfet以及hemt)的。其他应用领域为dc/dc 转换器和ac/dc整流器(converter)以及变压器。
3.通常由功率半导体构成功率开关，这些功率开关被用于桥电路中。常见的示例是所谓的半桥，该半桥包括高侧部件和低侧部件。高侧部件和低侧部件分别包括一个或多个功率开关，即高侧功率开关或低侧功率开关。通过有针对性地切换高侧功率开关和低侧功率开关，在功率模块的输出端所产生的电流(输出电流)的方向可以以非常短的周期在正电流方向与负电流方向之间变化。这可以实现所谓的脉冲宽度调制，以便在dc/ac逆变器的情况下基于在功率模块的输入侧馈入的直流电流来产生交流电流。
4.在所有这些应用中，有利的是，所使用的功率开关的切换时间是足够短的。由于功率半导体领域的进步，通过sic和gan等所谓的宽带隙半导体(widebandgap semiconductor，具有大的带隙的半导体)可以实现较短的切换时间。
5.然而，较短的切换时间的缺点在于，在功率模块的电流线路中存在的漏电感的情况下，在使功率开关接通和断开时会产生高电压。高电压可能导致功率开关或功率开关中所包含的功率半导体烧坏并因此受损。虽然在现有技术中已知的功率模块中已经使用了减小或削平产生的电压峰值的中间电容器。然而，在已知的功率模块中，由于结构而导致这种电压平滑效果不足以保护功率半导体以防烧坏。


技术实现要素：

6.因此，本实用新型的基本目的在于，在接通以及断开时更好地保护功率半导体以防因电压峰值而烧坏，从而提高功率模块的效率。
7.这个目的通过根据本实用新型的用于制造功率模块的方法、和这种功率模块、以及功率模块在车辆中的用途来实现。
8.在本实用新型的范围内，功率模块用于操作车辆、尤其电动车辆和/或混合动力车辆的电驱动器。功率模块优选地被用于dc/ac逆变器中。尤其，功率模块用于给电动机器、例如电动机和/或发电机通电。dc/ac逆变器被用于从借助于能量源(例如电池)的dc电压产生的直流电流生成多相交流电流。
9.为了馈入输入电流(直流电流)，功率模块优选地具有带正极和负极的输入触点。在功率模块的操作中，正极导电地连接到电池的正端，其中负极导电地连接到电池的负端。
10.功率模块还包括多个功率开关，这些功率开关与阻尼电容器并联连接。这些基于半导体的功率开关用于基于馈入的输入电流、借助对各个功率开关的操控来产生输出电流。对功率开关的操控可以基于所谓的脉冲宽度调制。
11.该多个功率开关被分为多个组。该多个组(或功率开关组)中的每个组分别包括彼此串联连接的两个功率开关。优选地，由这些功率开关构成桥电路组件。桥电路组件可以包括一个或多个桥电路，这些桥电路例如被构成为半桥。每个半桥包括一个或多个彼此并联连接的高侧开关(hs开关)，并且包括一个或多个彼此并联连接的低侧开关(ls开关)。hs开关与ls开关串联连接。在这种情况下，每个半桥均构成功率开关组。每个半桥被指配给多相交流电流 (输出电流)的一个电流相位。hs开关和ls开关分别包括一个或多个功率半导体构件，例如igbt、mosfet或hemt。各个功率半导体构件所基于的半导体材料优选地包括所谓的宽带隙半导体(具有大带隙的半导体)，例如碳化硅(sic)或氮化镓(gan)，可以替代地或附加地包括硅。
12.出于电压平滑的目的，功率模块还包括中间电路电容器组件，该中间电路电容器组件与功率开关并联连接。该中间电路电容器组件包括多个中间电路电容器，这些中间电路电容器被设计为例如平行极板电容器。这些中间电路电容器中的每个中间电路电容器均被分配给该多个功率开关组中的一个功率开关组。因此，所有中间电路电容器分别以一对一指配关系被分配给所有功率开关组。
13.功率模块此外优选地具有用于安装该功率开关的绝缘基板。绝缘基板具有例如第一金属层、第二金属层、以及布置在第一金属层与第二金属层之间的绝缘层。在这种情况下，绝缘基板优选地是直接覆铜(direct-bonding-copper， dcb)绝缘基板。在第一金属层上安装功率开关。例如，通过烧结、焊接、钎焊或者借助螺钉连接来将功率开关固定在第一金属层上。
14.功率模块优选地还具有散热体，该散热体用于导出在功率模块中、尤其是在高输入电流下在功率开关中所产生的热量。
15.由于功率模块不是仅具有唯一的中间电路电容器、而是具有多个中间电路电容器(该多个中间电路电容器以一对一指配关系被固定地分配给各个功率开关组)，因此提高了关于中间电路电容器在功率模块中的布置方式的灵活性。这是因为在每个中间电路电容器与相关联的功率开关组之间的电气线路更短。由此减小了与电气线路的长度相关的漏电感。由此减小了在使功率开关接通和断开时达到电压峰值的可能性。因此，功率开关遭受烧坏风险的程度降低或者功率开关完全被保护以防这种风险，在其他情况下在使用wbg半导体材料的情况下可能由于这些材料到功率模块中的漏电感的切换时间非常短而担忧这种风险。由此提高了功率模块的功能能力。
16.在优选实施例中给出了有利的设计方案和改进方案。
附图说明
17.现在示例性地并且参照附图描述实施方式。在附图中：
18.图1示出根据一个实施方式的功率模块的电路的示意图；
19.图2以侧视图示出根据另一实施方式的功率模块的子模块的示意图；
20.图3以侧视图示出由图2中示出的多个子模块构成的功率模块的示意图；并且
21.图4以另一侧视示出图2中的子模块的另示意图。
具体实施方式
22.在附图中，相同的附图标记涉及相同或功能类似的参考部分。在各个附图中分别标出了相关的参考部分。
23.图1示出根据一个实施方式的功率模块10的电路的示意图。功率模块10 主要用于dc/ac逆变器(inverter)，该dc/ac逆变器将所馈入的直流电流转换为多相交流电流。交流电流例如具有三个电流相位，这些电流相位分别彼此偏移120度的相位角。功率模块10在此简化地示出，并且包括三个子模块102、 104、106。这三个子模块102、104、106中的每个子模块被分配给这三个电流相位中的一个电流相位。三相交流电流仅是本实用新型的一个示例性应用。
24.每个子模块102、104、106均包括半桥，该半桥具有由一个或多个高侧开关116、126、136以及一个或多个低侧开关114、124、134构成的组115、125、 135(参见图2)。在半桥包括多个高侧开关和/或低侧开关的情况下，该多个高侧开关彼此并联连接，其中该多个低侧开关彼此并联连接。在半桥内，高侧开关与低侧开关串联连接。
25.每个子模块102、104、106还包括中间电路电容器112、122、132，该中间电路电容器与各个子模块102、104、106中的功率开关并联连接。在图1所示的示例中，因此包含三个中间电路电容器112、122、132，这些中间电路电容器以一对一指配关系被分配给三个半桥或功率开关组115、125、135。每个中间电路电容器112、122、132与相关联的半桥或功率开关组115、125、135 一起构成相对应的子模块102、104、106。
26.图2以侧视图示出各个子模块102、104、106。根据另一实施方式，中间电路电容器112、122、132被布置成平放在基板140上。在此，中间电路电容器112、122、132在基板侧借助两个连接元件118、120(例如借助螺钉连接或粘合连接)被固定在基板140上。在中间电路电容器112、122、132与基板140 之间布置有相对应的半桥115、125、135或功率开关组。基板140可以具有直接覆铜(dcb)基板。基板140可以在其背离中间电路电容器112、122、132 的那侧与散热体(未示出)相连接。
27.包括正极142和负极144的电流输入端在此示例性地布置在中间电路电容器112、122、132的顶侧。然而，这对本实用新型而言并非限制性的。可以设想对电流输入端的另外定位。电流输出端146被固定在基板140上。
28.在图3中，完全地示出了具有三个子模块102、104、106的功率模块10。子模块102、104、106基本上相同地构成并且沿纵向方向彼此间隔开。优选地，这三个基板140基本上位于一个平面上。
29.图4以另一侧视图示出各个子模块102、104、106。除了在图2中示出的部件之外，在此可以看到控制电路板148，该控制电路板包含电子构件和电气线路以及信号线路(未示出)，借助它们可以操控相对应的半桥115、125、135 的栅电极。优选地，控制电路板148垂直于基板140延伸。控制电路板148布置在基板140的端部处。电流输出端146布置在基板140的与控制电路板148 相反的端部处并且突出超过基板140的端侧。
30.附图标记清单
31.10 功率模块
32.102，104，106 子模块
33.112，122，132 中间电路电容器
34.114，124，134 低侧开关
35.115，125，135 功率开关组
36.116，126，136 高侧开关
37.118，120 连接元件
38.140 基板
39.142，144 电流输入端
40.146 电流输出端
41.148 控制电路板。