DE10296619B4

DE10296619B4 - Leistungsmodul

Info

Publication number: DE10296619B4
Application number: DE10296619T
Authority: DE
Inventors: Alan Frederik Redondo Beach Golightly; William Fountain Valley Grant
Original assignee: Siliconix Technology CV
Current assignee: Siliconix Technology CV
Priority date: 2001-04-02
Filing date: 2002-04-02
Publication date: 2009-01-02
Anticipated expiration: 2022-04-03
Also published as: US20020196609A1; US7046518B2; DE10296619T5; JP4053887B2; JP2004524701A; WO2002080641A1

Abstract

Leistungsmodul (10) mit:
einem Formgehäuse (12) mit einer Öffnung (52), die sich zwischen einer oberen Oberfläche und einer unteren Oberfläche des Formgehäuses erstreckt;
einem Substrat (32), das an einem Boden der Öffnung (52) angeordnet ist, wobei das Substrat (32) zumindest eine auf einer ihrer Hauptoberflächen angeordnete Leiterbahn (66, 68, 70) aufweist; und
einem Leiterrahmen, wobei sich Verlängerungen der Leitungen des Leiterrahmens über Leiterbahnen des Substrats (32) hinweg erstrecken,
dadurch gekennzeichnet, das der Leiterrahmen eine Anzahl von Anschlussleitungen (28U, 28V, 28W) aufweist, die leitende Kontaktflächen (38U, 38V, 38W), die thermisch leitend mit dem Substrat verbunden sind und auf einer ihrer Hauptoberflächen Leistungshalbleiterplättchen (40UL, 40VL, 40WL, 40UH, 40VH, 40WH, 40RB) tragen, und einstückig hiermit verbundene Verlängerungen (43, 45, 47) einschließen, die sich von einer Kante der leitenden Kontaktfläche (38U, 38V, 38W, 42, 44) über die zumindest eine Leiterbahn (66, 68, 70) hinweg durch das Formgehäuse (12) zu dessen...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leistungsmodul-Anordnung und insbesondere auf eine Anordnung für ein Leistungsmodul zur Ansteuerung eines Dreiphasen-Motors.
Vorgefertigte Leistungsmodule werden in weitem Umfang in verschiedenen Industrien verwendet, um die Schaltungselemente einer Leistungsschaltung zur Ansteuerung elektrischer oder elektromechanischer Geräte unterzubringen. Leistungsmodule sind besonders für die Unterbringung der Leistungsversorgungsschaltungs-Bauteile zur Ansteuerung von Motoren nützlich. Als solche werden Leistungsmodule in weitem Umfang in der Fahrzeugindustrie zur Aufnahme der Ansteuerbauteile für verschiedene Motoren verwendet.
Die Faktoren, die bei der Konstruktion eines Leistungsmoduls berücksichtigt werden müssen, sind dessen Größe und Fähigkeit, die von den darin enthaltenen Leistungselementen erzeugte Wärme zu verteilen. Eine effiziente Anordnung der verschiedenen Elemente eines Leistungsmoduls kann zur Verringerung der Größe des Moduls beitragen.
Aus der US 5497291 ist ein Leistungsmodul mit einem Gehäuse mit einer sich zwischen seiner oberen Oberfläche und seiner unteren Oberfläche erstreckenden Öffnung bekannt, bei dem ein Substrat am Boden der Öffnung angeordnet ist und auf seiner Oberfläche angeordnete Leiterbahnen und darauf angeordnete Leistungshalbleiter aufweist. Oberhalb des Substrates ist eine gedruckte Schaltung angeordnet, die mit den Leiterbahnen auf dem Substrat über einen Leiterrahmen verbunden ist, der U-förmige Brückenteile und sich aus dem Gehäuse heraus erstreckende Anschlüsse aufweist. Durch diese Form des Leiterrahmens ergeben sich relativ hohe Induktivitäten in der teilweise auf dem Substrat und teilweise auf der Leiterplatte angeordneten Bauteilen, was insbesondere bei großen und induktiven Lasten zu Störungen führt, da die Abschnitte des Leiterrahmens eine erhebliche Länge aufweisen.
Aus der DE 4405439 A1 ist ein Leiterrahmen bekannt, der zunächst miteinander verbundene Abschnitte aufweist, auf denen elektrische und elektronische Bauteile unter gleichzeitiger Verbindung hiermit angebracht werden, wobei die einzelnen Leiterbahnen des Leiterrahmens dann in einem Stanzschritt voneinander getrennt werden. Die Leiterbahnen des Leiterrahmens sind weiterhin mit sich aus einem Gehäuse heraus erstreckenden Anschlussfahnen verbunden. Auch hierbei ergibt sich aufgrund der geringen Querschnitte der einzelnen Leiterbahnen des Leiterrahmens und deren Länge eine erhebliche Eigeninduktivität, die bei höheren Leistungen nicht geeignet ist.
Aus der US 2492235 ist es bekannt, Leiterbahnen eines Leiterrahmens an über Kreuzungsstellen voneinander fort abzubiegen und durch Einfügung von Isoliermaterial voneinander zu isolieren, so dass sich eine mehrlagige Anordnung der Leiterbahnen ergibt.
Aus der DE 19645636 ist weiterhin ein Leistungsmodul zur Ansteuerung von Elektromotoren bekannt, bei dem auf einen Substrat angeordnete Leistungshalbleiterbauelemente mit Leiterbahnen auf dem Substrat verbunden sind, wobei sich senkrecht zu diesem Substrat Anschlussleiter aus dem Gehäuse heraus erstrecken. Hierdurch ergibt sich ein eine relativ große Bauhöhe aufweisendes Modul, und die Anschlussleitungen oder Anschlussfahnen weisen eine relativ große Länge und eine entsprechend hohe Induktivität auf. Damit ergibt sich auch eine relativ hohe Induktivität zwischen den Leistungshalbleiterbauteilen und dem zur Glättung der Versorgungsspannung verwendeten Kondensatoren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungsmodul der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, bei dem die in den Leistungskreisen vorhandenen Induktivitäten verringert sind und sich insgesamt ein kompakter Aufbau mit geringen Abmessungen ergibt.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Leistungsmodul is insbesondere zur Verwendung in der Fahrzeugindustrie geeignet und kann zur Aufnahme von Elementen einer Leistungsschaltung zur Ansteuerung eines Elektromotors ausgebildet sein, schließt jedoch Merkmale ein, von denen der Fachmann ohne weiteres erkennen wird, dass sie in verschiedenen anderen angestrebten Gebieten nützlich sind.
Ein Leistungsmodul gemäß der vorliegenden Erfindung schließt ein Formgehäuse mit einer Kammer ein, in der Elemente einer Leistungsschaltung zur Ansteuerung eines Dreiphasenmotors angeordnet sind. Das Leistungsmodul schließt einen Leiterrahmen ein, der eine Leistungsleitung, eine Masseleitung, drei Anschlussleitungen, die jeweils mit einer jeweiligen Phase eines Dreiphasenmotors verbindbar sind, Kondensatorleitungen, die jeweils direkt mit einem jeweiligen Verbindungsanschluss eines Versorgungsleitungs-Kondensators verbindbar sind, eine Brücke und eine Leitung einschließt, die leitende Kontaktflächen oder Auflageflächen zur Aufnahme einer Anzahl von Leistungsbauteilen aufweist.
Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung sind Versorgungsleitungs-Kondensatoren direkt mit den Kondensatorleitungen des Leistungsmoduls verbunden und sind somit direkt auf dem Leistungsmodul zusammengebaut. Dies stellt ein schnelles Stromansprechverhalten auf jeder Phase des Motors sicher.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung überkreuzen sich die verschiedenen Elemente des Leiterrahmens innerhalb des Körpers des geformten Gehäuses. Diese Anordnung ergibt eine wirkungsvollere und kompaktere Positionierung der verschiedenen Elemente des Leiterrahmens und ermöglicht somit ein kleineres Leistungsmodul.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung schließt zumindest eine der Leitungen einen Brückenabschnitt ein, der über leitende Bahnen auf einem Leistungssubstrat hinwegläuft. Der Brückenabschnitt ermöglicht einen unbehinderten Durchgang von Leiterbahnen von einem Teil des Substrates zu einem anderen Teil des Substrates. Diese Anordnung ermöglicht eine kompaktere Positionierung der verschiedenen Elemente in dem Modul und ermöglicht es weiterhin, dass die Leiterbahnen entlang des kürzest möglichen Pfades angeordnet werden. Das bedeutet, dass die Bahnen nicht entlang eines komplizierten Weges auf der Oberfläche des Substrates umgelenkt werden müssen und daher so kurz wie möglich gemacht werden können. Dies kann andererseits zu einer Verringerung des Gesamtwiderstandes und der Gesamtinduktivität des Leistungsmoduls führen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden werden in der folgenden Beschreibung anhand der Figuren näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine perspektivische Ansicht der Oberseite eines Leistungsmoduls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht der Unterseite eines Leistungsmoduls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine Draufsicht auf die Unterseite des Leistungsmoduls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine Seitenansicht des Leistungsmoduls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei Betrachtung in Richtung der Linie 4-4 nach 3.
5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Leistungsmoduls gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung unter Ausschluss des Substrates und der Kondensatoren.
6 zeigt eine perspektivische Ansicht des Leistungsmoduls bei Betrachtung von der Unterseite aus unter Ausschluss der Kondensatoren und des Substrates.
7 zeigt eine Draufsicht des Substrates, das bei einem Leistungsmodul gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
8 zeigt das Schaltbild von Teilen einer Leistungsschaltung, die in einer ersten Ausführungsform des Leistungsmoduls gemäß der vorliegenden Erfindung verwirklicht ist.
9 zeigt eine Draufsicht eines Leistungsmoduls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt eine Draufsicht des Leiterrahmens eines Leistungsmoduls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11A zeigt eine Draufsicht der Leistungsleitung in einem Leistungsmodul gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11B zeigt die Leistungsleitung nach 11A bei Betrachtung in Richtung der Linie 11B-11B.
11C zeigt die Leistungsleitung nach 11A bei Betrachtung in der Richtung der Linie 11C-11C.
12A zeigt eine Draufsicht der Masseleitung in einem Leistungsmodul gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
12B zeigt die Masseleitung nach 12A bei Betrachtung in Richtung der Linie 12B-12B.
12C zeigt die Masseleitung nach 12A bei Betrachtung in Richtung der Linie 12C-12C.
13A zeigt eine Draufsicht einer Leitung in einem Leistungsmodul gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
13B zeigt die Leitung nach 13A bei Betrachtung in Richtung der Linie 13B-13B.
13C zeigt die in 13A gezeigte Leitung bei Betrachtung in Richtung der Linie 13C-13C.
14A zeigt eine Draufsicht einer Anschlussleitung in einem Leistungsmodul gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
14B zeigt die Anschlussleitung nach 14A bei Betrachtung in Richtung der Linie 14B-14B.
14C zeigt die Leistungsleitung nach 14A bei Betrachtung in Richtung der Linie 14C-14C.
15A zeigt eine Draufsicht einer Anschlussleitung in einem Leistungsmodul gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
15B zeigt die Anschlussleitung nach 15A bei Betrachtung in Richtung der Linie 15B-15B.
15C zeigt die in 15A gezeigte Leistungsleitung bei Betrachtung in Richtung der Linie 15C-15C.
16A zeigt eine Draufsicht einer Anschlussleitung in einem Leistungsmodul gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
16B zeigt die in 16A gezeigte Anschlussleitung bei Betrachtung in Richtung der Linie 16B-16B.
16C zeigt die Leistungsleitung nach 16A bei Betrachtung in Richtung der Linie 16C-16C.
17A zeigt eine Draufsicht einer Verbindungsbrücke, die in dem Leistungsmodul gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
17B zeigt die in 17A gezeigte Verbindungsbrücke bei Betrachtung in Richtung der Linie 17B-17B.
17C zeigt die Verbindungsbrücke nach 17A bei Betrachtung in Richtung der Linie 17C-17C.
18 zeigt eine Draufsicht eines Leistungsmodul gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die jeweiligen Positionen der Leitungen in dem Leiterrahmen im Inneren des Formgehäuses des Leistungsmoduls strichpunktiert gezeigt sind.
19 zeigt eine Querschnittsansicht eines Leistungsmoduls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei Betrachtung in Richtung der Linie 19-19 nach 18.
20 zeigt eine Querschnittsansicht eines Leistungsmoduls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei Betrachtung in Richtung der Linie 20-20 nach 18.
21 zeigt eine perspektivische Ansicht der Oberseite eines Leistungsmoduls gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Leistungsmoduls 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Leistungsmodul 10 wird vorzugsweise zur Lieferung von Leistung an einen bürstenlosen Dreiphasen-Gleichspannungsmotor verwendet, wie er typischerweise in einem hydraulischen Servolenkungssystem verwendet wird, indem Leistung an die drei Phasen des Motors geschaltet wird. Das Leistungsmodul 10 schließt ein Formgehäuse 12 ein, das eine strukturelle Halterung für die verschiedenen Bauteile des Leistungsmoduls 10 sowie eine elektrische Isolierung und mechanische Trennung der Leitungen und anderer elektrischer Bauteile des Leistungsmoduls 10 ergibt. Das Formgehäuse 12 weist eine einstückige Form auf und ist vorzugsweise aus einem Kunstharz wie z. B. dem Kunstharz hergestellt, der von der Firma Dow Chemical unter der Marke QUESTRA^® WA-552 angeboten wird. Befestigungshülsen 14, 15 sind in dem Formgehäuse angeordnet, um die Befestigung des Leistungsmoduls 10 auf einer Oberfläche unter Verwendung von (nicht gezeigten) Befestigungsschrauben zu ermöglichen. Das Formgehäuse 12 schließt weiterhin Kühlkörper-Befestigungshülsen 16, 17 ein, die dazu verwendet werden können, wahlweise das Leistungsmodul 10 auf einem externen (nicht gezeigten) Kühlkörper zu befestigen. Drei Versorgungsleitungs-Kondensatoren 18, 20, 22 werden direkt auf dem Leistungsmodul 10 befestigt. Die Versorgungsleitungs-Kondensatoren 18, 20, 22 sind mit dem Leistungsmodul 10 zusammengebaut, um ein schnelles Strom ansprechverhalten auf die Phasen des Motors zu schaffen. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die Versorgungsleitungs-Kondensatoren 18, 20, 22 jeweils 3900 μF-Elektrolyt-Kondensatoren, die zwischen der positiven Versorgungsleitung und dem Erdanschluss einer Inverterschaltung angeschaltet sind (siehe 8). Das Leistungsmodul 10 steht elektrisch mit dem positiven Anschluss einer Leistungsquelle, wie z. B. einer Fahrzeugbatterie, über die Leistungsleitung 24 in Schnittstellenverbindung und vervollständigt den geschlossenen Kreis über eine Erdleitung 26. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist eine Öffnung in der Leistungsleitung 24 und der Erdleitung 26 vorgesehen, des es ermöglicht, dass diese Schrauben mit jeweiligen (nicht gezeigten) Leistungseingangsverbindungen über eine Schraube zusammengebaut werden. Selbstverständlich können andere Montageverfahren für diesen Zweck verwendet werden.
Das Leistungsmodul 10 steht mit den drei Phasen eines Motors über jeweilige Anschlussleitungen 28U, 28V, 28W in Schnittstellenverbindung. Die Anschlussleitung 28U liefert Leistung an eine erste Phase des Motors (U-Phase), die Anschlussleitung 28V liefert Leistung an die zweite Phase des Motors (V-Phase), und der Anschluss 28W liefert Leistung an die dritte Phase des Motors (W-Phase). Über die Anschlussleitungen 28U, 28F, 28W wird Strom an die jeweiligen Phasen eines Dreiphasenmotors geschaltet. Bei der bevorzugten, in 1 gezeigten Ausführungsform schließen die Anschlussleitungen 28U, 28V, 28W jeweilige Öffnungen zur Aufnahme einer Schraube ein, so dass sie auf dem Gehäuse des (nicht gezeigten) Motors zusammengebaut werden können.
Der Strom wird an die jeweiligen Phasen eines Dreiphasenmotors über die Anschlussleitungen 28U, 28V, 28W durch gesteuertes Schalten einer Anzahl von (nicht gezeigten) Leistungshalbleiterbauteilen geschaltet, die in dem Leistungsmodul 10 angeordnet sind, wie dies weiter unten erläutert wird. Eine (nicht gezeigte) Steuerschaltung steuert das Schalten der Leistungshalbleiterbauteile. Die Steuerschaltung steht mit jedem der Leistungshalbleiterbauteile und anderen elektrischen Bauteilen innerhalb des Leistungsmoduls 10 über 18 Steueranschluss stifte 30 in Schnittstellenverbindung. Die Steueranschlussstifte 30 sind in einer Reihe entlang einer Seite des Formgehäuses 12 angeordnet. Die Funktion jedes Anschlussstiftes wird weiter unten erläutert.
2 zeigt eine perspektivische Unteransicht des Leistungsmoduls 10. In dieser Ansicht ist der untere Teil des Substrates 32 gezeigt. Das Substrat 32 kann ein isoliertes Metallsubstrat oder irgendein anderes Substrat sein, das eine elektrische Isolation ergibt, während es gleichzeitig eine gute Wärmeleitfähigkeit bietet, um die Wärme abzuleiten, die von dem Leistungshalbleiterbauteilen erzeugt wird, die in dem Leistungsmodul 10 enthalten sind. Wie dies weiter oben erläutert wurde, kann das Leistungsmodul 10 wahlweise auf einem Kühlkörper unter Verwendung von Kühlkörper-Befestigungsbohrungen 16, 17 befestigt werden. Wenn das Leistungsmodul 10 auf einem Kühlkörper befestigt ist, wird die untere Oberfläche des Substrates 32 in innige Berührung mit dem Kühlkörper gebracht, wodurch die Wärmeableitung verbessert wird. Es sei jedoch bemerkt, dass ein Kühlkörper nicht erforderlich ist, weil der Boden des Substrates 32 in ausreichender Weise Wärme an die Umgebung abgibt.
3 zeigt die Versorgungsleitungs-Kondensatoren 18, 20, 22 in direkter Verbindung mit jeweiligen Kondensatorleitungen 34A, 34B, 35A, 35B, 36A, 36B. Die Kondensatorleitungen 34A, 34B, 35A, 35B, 36A, 36B verbinden jeweilige Anschlüsse der Versorgungsleitungs-Kondensatoren 18, 20, 22 mit der positiven Versorgungsleitung und der Masse-Versorgungsleitung der (weiter unten gezeigten) Leistungsschaltung, die in dem Leistungsmodul 10 enthalten ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die Kondensatorleitungen 34A, 35A, 36A, mit der positiven Versorgungsleitung verbunden, während die Kondensatorleitungen 34B, 35B, 36B über die Masseleitung 24 mit Masse verbunden sind, wie dies weiter unten ausführlich gezeigt wird. Jede Kondensatorleitung 34A, 34B, 35A, 35B, 36A, 36B schließt eine Öffnung zur Aufnahme eines jeweiligen Anschlusses eines der Versorgungsleitungs-Kondensatoren 18, 20, 22 ein, wodurch der direkte Zusammenbau der Versorgungsleitungs-Kondensatoren 18, 20, 22 auf dem Leistungsmodul 10 erleichtert wird. Es ist verständlich, dass andere Verfahren zum Verbinden der Versorgungsleitungs-Kondensatoren 18, 20, 22 mit den Kondensatorleitungen 34A, 34B, 35A, 35B, 36A, 36B verwendet werden können, um die Versorgungsleitungs-Kondensatoren 18, 20, 22 direkt mit dem Leistungsmodul 10 zusammenzubauen.
4 zeigt das Leistungsmodul 10 bei Betrachtung ihn Richtung der Linie 4-4 nach 3. In 4 wurden die Versorgungsleitungs-Kondensatoren 18, 20, 22 aus der Ansicht entfernt, um ihre jeweiligen Positionen in dem Leistungsmodul 10 zu erläutern.
In 5 sind die Leitungen 24A, 24B, 24C über das Formgehäuse 12 mit leitenden Kontaktflächen oder Auflageflächen 38U, 38V bzw. 38W verbunden. Leistungshalbleiterbauteile 40UL, 40VL und 40WL sind vorzugsweise Leistungs-MOSFET's, deren Drain-Elektrode elektrisch jeweils mit einer jeweiligen leitenden Kontaktfläche oder der Auflagefläche 38U, 38V, 38W verbunden ist. Die Kondensatorleitungen 34A, 35A, 36A, sind mit leitenden Kontaktflächen oder Auflageflächen 42, 44 durch das Formgehäuse 12 hindurch verbunden. Auf der Kontaktfläche sind unter elektrischer Verbindung mit dieser Leistungshalbleiterbauteile 40UH, 40VH angeordnet, und auf der Kontaktfläche 44 und in elektrischer Verbindung mit dieser sind Leistungshalbleiterbauteile 40WH, 40RB angeordnet. Die Kontaktflächen 42, 44 sind miteinander über eine Brücke 48 verbunden.
Weiterhin sind ein Überbrückungsanschluss 46, der zwei Enden aufweist, die über einen Teil verbunden sind, der in dem Formgehäuse 12 angeordnet ist, und eine Lasche 50 gezeigt, die mit der Masseleitung 24 durch das Formgehäuse 12 hindurch verbunden ist. Es sei bemerkt, dass die Kontaktflächen 38U, 38F, 38W, 42, 44, die Enden der Überbrückungsleitung 46 und die Lasche 50 alle in einer Öffnung 52 in dem Formgehäuse 12 angeordnet sind, die eine Kammer bildet, die sich zwischen der oberen Oberfläche bis zur unteren Oberfläche des Formgehäuses erstreckt. 6 zeigt die Unteransichten der Kontaktflächen 38U, 38V, 38W, 42, 44, die Enden des Überbrückungsanschlusses 46 und die Lasche 50, wodurch gezeigt wird, dass sich die Öffnung 52 durch das Formgehäuse 12 von dessen oberer Oberfläche zu dessen unterer Oberfläche erstreckt. Weiterhin sind an den Ecken nach unten abgefaltete Teile 54 gezeigt. Die an den Ecken heruntergefalteten Teile 54 sind abgefaltete Teile der Kontaktflächen, beispielsweise 42, 44. Die an den Enden herabgefalteten Teile 54 ergeben einen Kontakt mit dem Substrat 32, wenn dies an seinen Platz gebracht wird, wodurch die zugehörigen Kontaktflächen 42, 44 in Abstand von dem Substrat 32 gehalten werden. Lot oder irgendein anderes leitendes Material wird dann in dem Raum zwischen den Kontaktflächen, beispielsweise 42, 44, und dem Substrat angeordnet. Somit unterstützen die an den Ecken abgefalteten Teile 54 die geeignete Positionierung der Kontaktflächen, beispielsweise 42, 44, des Leiterrahmens oberhalb des Substrates 32.
Das Substrat 32 ist am Boden angeordnet und wird von einer Vertiefung 51 am Boden der Öffnung 52 aufgenommen. Sobald es von der Vertiefung 51 aufgenommen wurde, wird das Substrat 32 in Kontakt mit den Kontaktflächen 38UL, 38VL, 38WL, 42, 44 gebracht, um Wärme von den darauf angeordneten Leistungshalbleiterbauteilen abzuleiten.
7 zeigt eine Draufsicht des Substrates 32. Auf seiner oberen Oberfläche schließt das Substrat 32 elektrisch isolierte Anschlussflächen ein, die thermisch mit den jeweiligen Kontaktflächen verbunden werden, wenn das Substrat 32 am Boden der Öffnung 52 eingebaut wird. Im Einzelnen sind die Anschlussflächen 54UL, 54VL, 54WL, 56, 58 thermisch mit den Kontaktflächen 38UL, 38VL, 38WL, 42, 44 jeweils durch eine Schicht von Lot oder einem anderen thermisch leitenden Material verbunden. Eine Anzahl von Leiterbahnen ist ebenfalls auf der oberen Oberfläche des Substrates 32 angeordnet. Die Funktion der Leiterbahnen besteht in einer Erleichterung der elektrischen Verbindung zwischen den Steueranschlüssen 30 und den verschiedenen in der Öffnung 52 angeordneten Bauteilen. Anschlussflächen 60, 62 sind auf der oberen Oberfläche des Substrates 32 angeordnet, um mit jeweiligen Enden der Überbrückungsleitung 46 verbunden zu werden, und eine Anschlussfläche 64 ist für die Verbindung mit der leitenden Lasche 50 vorgesehen. Die Anschlussfläche 62 und die Anschlussfläche 64 sind mit jeweiligen Leiterbahnen 66, 68 verbunden, und die Anschlussfläche 60 ist mit einer Leiterbahn 70 verbunden.
Das Leistungsmodul 10 ergibt ein Gehäuse für die Leistungsbauteile und zugehörigen Bauteile einer Schaltung zur Ansteuerung eines Dreiphasenmotors. 8 zeigt ein Schaltbild für die Leistungs- und Zubehörbauteile eines Teils einer Leistungsschaltung, die in dem Leistungsmodul 10 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung realisiert ist. Die in 8 gezeigte Schaltung 72 schließt drei Inverter-Anordnungen jeweils zur Ansteuerung einer jeweiligen Phase eines Dreiphasenmotors ein. Jede Inverter-Anordnung schließt ein spannungsseitiges und ein erdseitiges Leistungshalbleiterbauteil ein, das vorzugsweise ein MOSFET sein kann.
Im Einzelnen schließt die Schaltung 72 spannungsseitige Leistungshalbleiterbauteile 40UH, 40VH, 40WH ein, die elektrisch mit jeweiligen erdseitigen Leistungshalbleiterbauteilen 40UL, 40VL, 40WL verbunden sind, um drei Inverterschaltungen zu bilden. Die Leistungshalbleiterbauteile 40UH, 40UL, 40VH, 40VL, 40WH, 40WL sind vorzugsweise 40V-MOSFETs, die von dem Anmelder der vorliegenden Erfindung unter der Marke HEX^® 4.6^D vertrieben werden. Die drei Phasen des Dreiphasenmotors sind mit U, V, W bezeichnet. Jede Phase des Dreiphasenmotors ist mit einem jeweiligen Paar von spannungsseitigen und erdseitigen Leistungshalbleiterbauteilen verbunden. Im Einzelnen ist die U-Phase zwischen den Halbleiterbauteilen 40UH, 40UL angeschaltet, die V-Phase ist zwischen den Leistungshalbleiterbauteilen 40VH, 40VL angeschaltet und die W-Phase ist zwischen den Leistungshalbleiterbauteilen 40WH, 40WL angeschaltet, wie dies in 8 gezeigt ist. Es sei darauf hingewiesen, dass weil die Leistungshalbleiterbauteile 40UH, 40UL, 40VH, 40VL, 40WH, 40WL MOSFET's sind, die Source-Elektrode des spannungsseitigen Leistungshalbleiterbauteils mit der Drain-Elektrode des erdseitigen Leistungshalbleiterbauteils verbunden ist, um eine Inverter-Anordnung zu bilden. In der Schaltung 72 sind die Source-Elektroden der erdseitigen Leistungshalbleiterbauteile miteinander verbunden und dann über einen Strommesswiderstand 74 mit Erde oder Masse verbunden. Der Strommesswiderstand 74 ist vorzugsweise ein eine niedrige Induktivität aufweisender 1 mΩ Reihenwiderstand. Weiterhin sind die Drain-Elektroden der spannungsseitigen Leistungshalbleiterbauteile miteinander verbunden und dann in Serie mit der Leistungsversorgungsleitung über einen N-Kanal-MOSFET 40RB verbunden, der einen Schutz gegen einen Verpolungszustand ergibt. Der N-Kanal-MOSFET 40RB ist vorzugsweise ein MOSFET, der von dem Anmelder der vorliegenden Anmeldung unter der Bezeichnung IRFC 3703 HEXFET^® vertrieben wird.
Die Schaltung 72 schließt einen Thermistor 78 ein, der auf dem Substrat 32 angeordnet ist, um eine Temperaturinformation von diesem zu liefern. Der Thermistor 78 ist so ausgewählt, dass er vorzugsweise 10 Kiloohm an Widerstandswert bei 25°C mit ungefähr 3% Toleranz liefert.

Die verschiedenen Anschlüsse sind auf der linken Seite der Schaltung 72 angegeben. Die Tabelle 1 ergibt eine Liste dieser Anschlüsse, wie sie in 8 angegeben sind. Tabelle 1

RBS	Source-Elektrode von MOSFET 40RB
RBG	Gate-Elektrode von MOSFET 40RB
UHG	Gate-Elektrode des spannungsseitigen MOSFET für die U-Phase
UHS	Source-Elektrode des spannungsseitigen MOSFET für die V-Phase
VHG	Gate-Elektrode des spannungsseitigen MOSFET für die V-Phase
RBS	Source-Elektrode von MOSFET 40RB
VHS	Source-Elektrode des spannungsseitigen MOSFET für die V-Phase
WHG	Gate-Elektorde des spannungsseitigen MOSFET für die W-Phase
WHS	Source-Elektrode des spannungsseitigen MOSFET für die W-Phase
ULG	Gate-Elektrode des erdseitigen MOSFET für die U-Phase
ULS	Source-Elektrode des erdseitigen MOSFET für die U-Phase
VLG	Gate-Elektrode des erdseitigen MOSFET für die V-Phase
VLS	Source-Elektrode des erdseitigen MOSFET für die V-Phase
WLG	Gate-Elektrode für den erdseitigen MOSFET der W-Phase
WLS	Source-Elektrode des erdseitigen MOSFET für die W-Phase
RSH1	Erster Anschluss des Strommesswiderstandes
RSH2	Zweiter Anschluss des Strommesswiderstandes
RTH1	Erster Anschluss des Thermistors
RTH2	Zweiter Anschluss des Thermistors

Es wird nunmehr auf 9 Bezug genommen, in der eine Draufsicht des Leistungsmoduls 10 die verschiedenen Verbindungen zu den Steueranschlüssen 30 zeigt, die ihrerseits mit einer (nicht gezeigten) Steuerschaltung zur Steuerung des Betriebs der Leistungsbauteile und anderer Bauteile verbunden sind, die in der Öffnung 52 des Formgehäuses 12 angeordnet sind. 9 zeigt weiterhin ein Substrat 32, wie dies am Boden der Öffnung 52 angeordnet ist. Wie dies in 9 gezeigt ist, läuft die Brücke 48 über eine Anzahl von Leiterbahnen hinweg, die auf der Oberseite des Substrates 32 angeordnet sind. Weiterhin sind Brückenteile 80, 82 gezeigt, die sich von jeweiligen Kanten der Kontaktflächen 42, 44 über eine Anzahl von Leiterbahnen, beispielsweise 66, 68, auf dem Substrat 32 zu den Wänden der Öffnung 52 in dem Formgehäuse 12 erstrecken. Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung ermöglichen es die Brücke 48 und die Brückenteile 80, 82, dass die Leiterbahnen ohne Störung zu einer Stelle laufen können, an der sie eine elektrische Verbindung mit geeigneten Anschlussstiften 30 ergeben, so dass sich eine effizientere Anordnung ergibt. Die verschiedenen elektrischen Verbindungen zwischen den Bauteilen der Schaltung 52 werden unter Verwendung von Kontaktierungsdrähten hergestellt, wie dies in 9 gezeigt ist.
Es wird nunmehr auf die 10 bis 17C Bezug genommen. Die Struktur des Leiterrahmens des Leistungsmoduls 10 wird nunmehr beschrieben. 10 zeigt den Leiterrahmen des Leistungsmoduls 10. Bei dieser Ausführungsform wurde das Formgehäuse 12 fortgelassen, um die Anordnung der verschiedenen Leitungen innerhalb des Körpers des Formgehäuses 12 zu zeigen.
Unter Bezugnahme auf die 11A bis 17C wird nunmehr der Aufbau jeder Leitung beschrieben.
Die 11A bis 11C zeigen die verschiedenen Ansichten der Leistungsleitung 24. Die Leistungsleitung 24 schließt eine Verlängerung 23 ein, die mit der Kontaktfläche 27 verbunden ist. Die Verlängerung 23 erstreckt sich entlang einer Seite des Leistungsmoduls 10 in der Nähe der Reihe von Anschlussstiften 30. Die Kontaktfläche 27 erstreckt sich unter einem Winkel von einer Kante der Verlängerung 23 durch den Körper des Formgehäuses 12 zum Inneren des Gehäuses 52, wo sie elektrisch mit der Source-Elektrode des MOSFET 40RB (siehe 9) verbunden ist. Die Leistungsleitung 24 schließt weiterhin einen Anker 25 ein, der in dem Körper des Formgehäuses 12 eingebettet wird, um die Leistungsleitung 24 weiter an ihrem Platz festzulegen.
Die 12A bis 12C zeigen die verschiedenen Ansichten der Masse- oder Erdleitung 26. Wie dies in 12A gezeigt ist, erstreckt sich die Lasche 50 unter einem Winkel von einer Kante der Verlängerung 29 durch den Körper des Formgehäuses 12 hindurch in das Innere des Gehäuses 52 von einer Seitenwand des Gehäuses aus (5). Die Kondensatorleitungen 34B, 35B, 36B erstrecken sich ebenfalls von einer Kante der Masseleitung 26 in der gleichen Richtung unter im Wesentlichen einem rechten Winkel. Die Verlängerung 29 hat vertiefte Teile 31, 33, die an einer Kante der Verlängerung ausgebildet sind. Der Zweck der vertieften Teile 31, 33 der Verlängerung 29 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 13A bis 13C beschrieben.
Die 13A zeigt die Kondensatorleitungen 34A, 35A, die sich von einer ersten Kante der Verlängerung 37 unter rechten Winkeln erstrecken, und die Kondensatorleitung 36A, die sich unter einem rechten Winkel von einer gegenüber-liegenden zweiten Kante der Verlängerung 37 erstreckt. Die Verlängerung 37 schließt weiterhin vertiefte Teile 39, 41 ein, die an deren erster Kante gemäß 13A ausgebildet sind. Unter erneuter Bezugnahme auf 10 ist zu erkennen, dass die Kondensatorleitungen 34A, 34B, 35A, 35B, 36A, 36B im Wesentlichen parallel zueinander in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Die vertieften Teile 39, 41 nehmen die Spitze der Kondensatorleitungen 34B bzw. 35B auf, während die vertieften Teile 33, 31 das obere Ende der Kondensatorleitung 35A und einen Teil der Verlängerung 37 aufnehmen. Dies führt zu einer kompakteren Anordnung der Leitungen in dem Leiterrahmen.
Es wird nunmehr auf die 14A bis 14C, 15A bis 15C und 16A bis 16C Bezug genommen. Der Aufbau der Anschlussleitungen 28U, 28V, 28W wird nunmehr beschrieben. Es wird zunächst auf die 14A Bezug genommen, in der zu erkennen ist, dass die Anschlussleitung 28U eine Verlängerung 43 einschließt, die einstückig mit der Kontaktfläche 36U ausgebildet ist. Die Verlängerung 43 erstreckt sich durch den Körper des Formgehäuses 12 und unterstützt somit die Wärmeabfuhr durch Ableiten eines Teils der Wärme von der Kontaktfläche 38U, auf der das Leistungshalbleiterbauteil 40UL angeordnet ist, wobei die Wärme zur Aussenseite des Leistungsmoduls 10 übertragen wird, wo sie abgeleitet wird. Die Verlängerung 43 schließt einen nach unten geneigten Abschnitt 43a ein. Wie dies in 10 gezeigt ist, ist der nach unten geneigte Abschnitt 43a der Verlängerung 43 unterhalb der Verlängerungen 29, 37 angeordnet, um eine kompaktere Anordnung des Leiterrahmens innerhalb des Körpers des Formgehäuses 12 zu ermöglichen.
Unter Bezugnahme auf die 15A bis 15C ist zu erkennen, dass die Anschlussleitung 26V eine Verlängerung 45 einschließt, die einstückig mit der Kontaktfläche 38V verbunden ist. Die Verlängerung 45 erstreckt sich durch den Körper des Formgehäuses 12 und unterstützt somit die Wärmeabfuhr durch Ableiten eines Teils der Wärme von der Kontaktfläche 38V, auf der das Leistungshalbleiterbauteil 40VL angeordnet ist, und durch Ableiten der Wärme zur Aussenseite des Leistungsmoduls 10 hin, wo sie abgegeben wird. Die Verlängerung 45 schließt einen nach unten geneigten Abschnitt 45A ein. Wie dies in 10 gezeigt ist, ist auch der nach unten geneigte Abschnitt 45A der Verlängerung 45 unterhalb der Verlängerung 29, 37 angeordnet, so dass eine kompaktere Anordnung des Leiterrahmens in dem Körper des Formgehäuses 12 ermöglicht wird.
Gemäß den 16A bis 16C schließt die Anschlussleitung 28W eine Verlängerung 47 ein, die einstückig mit der Kontaktfläche 38W verbunden ist. Die Verlängerung 47 erstreckt sich durch den Körper des Formgehäuses 12 und unterstützt somit die Wärmeabfuhr durch Ableiten eines Teils der Wärme von der Kontaktfläche 28V, auf der das Leistungshalbleiterbauteil 40WL angeordnet ist, und durch Übertragen der Wärme zur Außenseite des Leistungsmoduls 10, wo sie abgegeben wird. Die Verlängerung 47 schließt einen nach unten geneigten Abschnitt 47A ein. Wie dies in 10 gezeigt ist, ist der nach unten geneigte Teil 47A der Verlängerung auch unterhalb der Verlängerung 39, 37 angeordnet, wodurch eine kompaktere Anordnung des Leiterrahmens in dem Körper des Formgehäuses 12 ermöglicht wird.
Gemäß den 17A bis 17C schließt die Überbrückungsleitung 46 eine Verlängerung 46A ein, die innerhalb des Körpers des Formgehäuses 12 angeordnet ist. Wie dies in 10 gezeigt ist, ist die Verlängerung 46A über den Verlängerungen 43A, 45A, 47A jedoch unter den Verlängerungen 29, 41 angeordnet, wodurch eine kompaktere Anordnung für die verschiedenen Bauteile des Leiterrahmens verwirklicht wird.
18 zeigt die Leiterrahmenbauteile, wie sie mit gestrichelten Linien dargestellt sind, innerhalb des Körpers des Formgehäuses 12. Wie dies in 18 gezeigt ist, sind Öffnungen in dem Formgehäuse 12 ausgebildet, um die Kondensatorleitungen 34A, 34B, 35A, 35B, 36A, 36B für eine elektrische Verbindung mit den Versorgungsleitungs-Kondensatoren 18, 20, 22 freizulegen.
19 zeigt einen Querschnitt des Leistungsmoduls 10 bei Betrachtung in Richtung der Linie 19-19 nach 18. Die 19 zeigt die Brücke 48 und die Brückenteile 80, 82, die in der vorstehend erläuterten Weise für den Zweck einer kompakteren Anordnung der verschiedenen Bauteile des Leistungsmoduls 10 verwendet werden.
20 zeigt eine Querschnittsansicht des Leistungsmoduls 10, in der die relativen Positionen der Verlängerungen 29, 37, 43, 45, 46A in dem Körper des Formgehäuses 12 gezeigt sind.
21 zeigt ein Leistungsmodul gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform schließt die Leistungsleitung 24 keine Verlängerung 23 ein, wodurch die Leistungsleitung 24 und die Erdleitung 26 näher aneinandergebracht werden.

Claims

Leistungsmodul (10) mit: einem Formgehäuse (12) mit einer Öffnung (52), die sich zwischen einer oberen Oberfläche und einer unteren Oberfläche des Formgehäuses erstreckt; einem Substrat (32), das an einem Boden der Öffnung (52) angeordnet ist, wobei das Substrat (32) zumindest eine auf einer ihrer Hauptoberflächen angeordnete Leiterbahn (66, 68, 70) aufweist; und einem Leiterrahmen, wobei sich Verlängerungen der Leitungen des Leiterrahmens über Leiterbahnen des Substrats (32) hinweg erstrecken, dadurch gekennzeichnet, das der Leiterrahmen eine Anzahl von Anschlussleitungen (28U, 28V, 28W) aufweist, die leitende Kontaktflächen (38U, 38V, 38W), die thermisch leitend mit dem Substrat verbunden sind und auf einer ihrer Hauptoberflächen Leistungshalbleiterplättchen (40UL, 40VL, 40WL, 40UH, 40VH, 40WH, 40RB) tragen, und einstückig hiermit verbundene Verlängerungen (43, 45, 47) einschließen, die sich von einer Kante der leitenden Kontaktfläche (38U, 38V, 38W, 42, 44) über die zumindest eine Leiterbahn (66, 68, 70) hinweg durch das Formgehäuse (12) zu dessen Außenseite erstrecken, wobei jede Verlängerung einen nach unten abgebogenen Teil (43A, 45A, 47A) aufweist, dass der Leiterrahmen weiterhin eine erste Leitung, die einen Teil (37) aufweist, der durch das Formgehäuse und über die abgebogenen Teile (43A, 45A, 47A) hinwegläuft, und eine zweite Leitung (26) einschließt, die einen Teil (29) aufweist, der durch das Formgehäuse (12) hindurch und über die abgebogenen Teile (43A, 45A, 47A) hinwegläuft, und dass die zweite Leitung (26) eine Anzahl von Leitungen (34B, 35B, 36B) aufweist, die sich unter einem Winkel von dem Teil (29) der zweiten, über die abgebogenen Teile (43A, 45A, 47A) hinweglaufenden Leitung (26) erstrecken, und zusammen mit einer Anzahl von Leitungen (34A, 35A, 36A), die sich unter einem Winkel von dem Teil (37) der ersten Leitung erstrecken, die über die abgebogenen Teile hinwegläuft, eine Anzahl von Paaren von Leitungen bilden, die mit jeweiligen Anschlüssen einer Anzahl von Kondensatoren (18, 20, 22) verbunden sind.
Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitung weiterhin eine Verlängerung aufweist, die einstückig mit einer weiteren leitenden Kontaktfläche (42, 44) verbunden ist, wobei eine Brücke (48, 80) über die Leiterbahn (66, 68, 70) gebildet wird.
Leistungsmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das die Kondensatoren (18, 20, 22) direkt auf dem Leistungsmodul (10) montiert sind.
Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Paare von Leitungen (34B, 35B, 36B, 34A, 35A, 36A) eine jeweilige Öffnung zur Aufnahme eines Anschlusses des Kondensators aufweisen.
Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens ein in elektrischem Kontakt mit der Leiterbahn (66, 68, 70) stehender Steueranschlussstift (30) durch eine der Wände der Öffnung (52) zur Außenseite des Formgehäuses (12) erstreckt, wobei der Anschlussstift (30) mit einer Steuerung zur Steuerung der Leistungshalbleiterbauteile (40UL, 40VL, 40WL, 40UH, 40VH, 40WH, 40RB) verbunden ist und die Leiterbahn (66, 68, 70) elektrisch mit einer Steuerelektrode des Leistungshalbleiterbauteils (40UL, 40VL, 40WL, 40UH, 40VH, 40WH, 40RB) verbunden ist.
Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Substrat (32) ein isoliertes Metallsubstrat ist.
Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussleitungen (28U, 28V, 28W) eine elektrische Verbindung mit einer Phasenwicklung eines Mehrphasenmotors ergeben.
Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitung eine Erdleitung (26) ist.
Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterrahmen weiterhin eine Überbrückungsleitung (46) umfasst, die zwei Enden, die mit jeweiligen leitenden Teilen (60, 62) auf dem Substrat (32) verbunden sind, und einen Teil (46A) zwischen den zwei Enden aufweist, die in dem Formgehäuse (12) angeordnet sind.