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1. WO2020104281 - LEISTUNGSELEKTRONIKANORDNUNG MIT EINEM TEMPERATURSENSOR

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Beschreibung

Leistungselektronikanordnung mit einem Temperatursensor

Technisches Gebiet:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungselektronikanordnung mit einem Temperatursensor, insb. für eine elektrische Antriebsvorrichtung eines

Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs, speziell einen Gleichspannungswandler, einen Wechselrichter und/oder einen Gleichrichter.

Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:

Es ist bekannt, dass Leistungselektronikanordnungen, insb.

Gleichspannungswandler, Wechselrichter und/oder Gleichrichter für elektrische Antriebsvorrichtungen von Hybridelektro-/Elektrofahrzeugen, in der Regel hohe Verlustleistungen und somit hohe Abwärme aufweisen, die zu Störungen bei den Leistungselektronikanordnungen gar zum Ausfall der

Leistungselektronikanordnungen führen können. Um die

Leistungselektronikanordnungen vor Störungen bzw. Ausfällen durch die hohe Abwärme zu schützen, werden Kühlkörper mit Kühlkanälen zum Durchleiten eines Kühlmediums verwendet, die mit den Leistungselektronikanordnungen thermisch verbunden sind und während des Betriebs der Leistungselektronikanordnungen die Abwärme von den Leistungselektronikanordnungen abführen. Zur Überwachung der Temperatur in den Leistungselektronikanordnungen werden

Temperatursensoren verwendet, die in den Kühlkanälen eingeführt sind, um die Temperatur des Kühlmediums zu messen. Diese Lösung ist aber aufwendig in der Herstellung und somit teuer.

Damit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, mit der eine Leistungselektronikanordnung in einfacher Weise und kostengünstig hergestellt werden kann.

Beschreibung der Erfindung:

Diese Aufgabe wird durch Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß der Erfindung wird eine Leistungselektronikanordnung, insb. für eine elektrische Antriebsvorrichtung eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs, speziell ein Gleichspannungswandler, ein Wechselrichter und/oder ein Gleichrichter, bereitgestellt.

Die Leistungselektronikanordnung weist einen Kühlkörper zur Kühlung der

Leistungselektronikanordnung und einen Temperatursensor zum Messen der Temperatur an dem Kühlkörper auf. Der Temperatursensor weist eine erste (lötbare oder sinterbare) Verbindungsschicht auf, die (insb. direkt) auf dem Kühlkörper aufgelötet oder aufgesintert ist und somit mit dem Kühlkörper thermisch verbunden ist.

Durch Auflöten bzw. Aufsintern des Temperatursensors (insb. direkt) auf dem Kühlkörper kann eine direkte thermische Verbindung zwischen dem Kühlkörper und dem Temperatursensor hergestellt werden, ohne dass der Temperatursensor bspw. in ein durch einen Kühlkanal des Kühlkörpers durchströmendes Kühlmedium hineingetaucht werden muss. Dadurch entfällt eine aufwendige Abdichtung des Kühlkörpers an der Stelle, wo der Temperatursensor in den Kühlkanal hineingeführt ist. Durch die direkte thermische Anbindung zum Kühlkörper durch Auflöten bzw. Aufsintern kann der Temperatursensor Temperaturwerte bzw.

Temperaturwertveränderungen am bzw. im Kühlkörper mit einer ausreichend hohen Genauigkeit erfassen. Dabei erweist sich das Auflöten bzw. das Aufsintern des Temperatursensors auf dem Kühlkörper als eine einfache und kostengünstige Lösung, um den Temperatursensor mit dem Kühlkörper körperlich und thermisch zu verbinden. Da leistungselektronische Komponenten der

Leistungselektronikanordnung, wie z. B. Leistungsmodule, mit hoher

Verlustleistung zur besseren Wärmeübertragung ebenfalls durch Auflöten bzw. Aufsintern mit dem Kühlkörper thermisch verbunden werden können, kann der Temperatursensor in einem und demselben Fertigungsschritt mit den

leistungselektronischen Komponenten auf dem Kühlkörper aufgelötet bzw.

aufgesintert werden. Dadurch kann die Temperaturmessung bei ausreichend hoher Messgenauigkeit in einfacher Weise kostengünstig realisiert werden.

Damit ist eine Möglichkeit bereitgestellt, mit der eine Leistungselektronikanordnung in einfacher Weise und kostengünstig hergestellt werden kann.

Bspw. weist der Kühlkörper eine erste, durch Kaltgasspritzen ausgebildete

Verbindungsfläche aus einem Metall oder einer Metalllegierung oder Kupfer oder einer Kupferlegierung auf, auf der die erste Verbindungsschicht des Temperatursensors aufgelötet oder ausgesintert ist.

Bspw. weist die Leistungselektronikanordnung ferner (mindestens) einen

Bonddraht auf. Der Temperatursensor weist bspw. ferner auf einer von der ersten Verbindungsschicht abgewandten Seite (mindestens) eine Kontaktfläche auf, auf der der Bonddraht aufliegt und zum Erfassen von Messdaten des

Temperatursensors bzw. zum Weiterleiten von Messdaten des Temperatursensors (an eine nachfolgend zu beschreibende Sensordatenauswerteschaltung) mit dem Temperatursensor elektrisch und körperlich verbunden ist. Durch die

Bondverbindung entfällt eine sonst erforderliche teils kostenintensivere elektrische Verbindung, wie z. B. eine Steckverbindung, zwischen dem Temperatursensor und der genannten Sensordatenauswerteschaltung. Darüber hinaus werden

Bondverbindungen für sonstige Schaltungskomponenten der

Leistungselektronikanordnung ohnehin eingesetzt. Die Bondverbindung zwischen dem Temperatursensor und der genannten Sensordatenauswerteschaltung kann somit in einem und demselben Bonding-Prozess mit den anderen

Bondverbindungen (und somit ohne zusätzlichen Fertigungsschnitt) hergestellt werden. Dadurch werden die Herstellungskosten für die

Leistungselektronikanordnung weiter reduziert.

Bspw. weist die Leistungselektronikanordnung ferner die zuvor genannte

Sensordatenauswerteschaltung auf. Dabei weist die

Sensordatenauswerteschaltung eine zweite (lötbare oder sinterbare)

Verbindungsschicht auf, die (insb. direkt) auf dem Kühlkörper aufgelötet oder aufgesintert ist und somit mit dem Kühlkörper thermisch verbunden ist. Alternativ kann die zweite Verbindungsschicht als eine Klebeschicht ausgebildet sein, die die Sensordatenauswerteschaltung auf dem Kühlkörper aufklebt.

Bspw. weist der Kühlkörper eine zweite, durch Kaltgasspritzen ausgebildete Verbindungsfläche aus einem Metall oder einer Metalllegierung oder Kupfer oder einer Kupferlegierung auf, auf der die zweite Verbindungsschicht der

Sensordatenauswerteschaltung aufgelötet oder ausgesintert ist.

Bspw. ist die Sensordatenauswerteschaltung zum Erfassen der Messdaten über den zuvor genannten Bonddraht mit dem Temperatursensor elektrisch bzw.

signaltechnisch verbunden.

Bspw. ist der Kühlkörper elektrisch leitend ausgeführt. Der Temperatursensor ist dann über die erste Verbindungsschicht ohne Potentialtrennung mit dem

Kühlkörper elektrisch verbunden.

Bspw. ist die Sensordatenauswerteschaltung mit dem Kühlkörper elektrisch verbunden und somit zum Erfassen der Messdaten des Temperatursensors über den Kühlkörper mit dem Temperatursensor elektrisch verbunden. Dadurch ist der Temperatursensor zwischen dem einen Bonddraht und dem Kühlkörper elektrisch angeschlossen. Die Messdaten des Temperatursensors werden somit von der Sensordatenauswerteschaltung über die elektrischen Verbindungen des

Bonddrahts und des Kühlkörpers direkt erfasst.

Bspw. weist die Leistungselektronikanordnung ferner einen Plattenkühler auf, wobei der Kühlkörper ein Teil dieses Plattenkühlers ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:

Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 in einer schematischen Querschnittdarstellung einen Abschnitt einer

Leistungselektronikanordnung gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; und

Figur 2 in einer weiteren schematischen Querschnittdarstellung einen

Abschnitt einer Leistungselektronikanordnung gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen:

Figur 1 zeigt in einer schematischen Querschnittdarstellung einen Abschnitt einer Leistungselektronikanordnung LA1 , bspw. eines Wechselrichters, eines

Gleichrichters oder einen Gleichspannungswandlers, gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.

Die Leistungselektronikanordnung LA1 weist Leistungselektronikmodule und einen Plattenkühler mit einem Kühlkörper KK zur Kühlung der

Leistungselektronikanordnung LA1 bzw. deren Leistungselektronikmodule auf.

Der Kühlkörper KK ist im Wesentlichen aus Aluminium oder einer

Aluminiumlegierung ausgebildet. Der Kühlkörper KK weist Kühlkanäle auf, durch die ein Kühlmedium, bspw. Kühlwasser, hindurchgeleitet wird. Der Kühlkörper KK weist ferner auf einer Oberfläche OF löt- bzw. sinterfähige Verbindungsflächen auf, die aus Kupfer oder einer Kupferlegierung durch Kaltgasspritzen ausgebildet sind. Auf den Verbindungsflächen sind die Leistungselektronikmodule angeordnet und mit dem Kühlkörper KK mechanisch und thermisch verbunden. Dabei weisen die Leistungselektronikmodule löt- bzw. sinterbare Verbindungsschichten auf, die auf den Verbindungsflächen direkt aufgelötet bzw. aufgesintert sind.

Aufgrund der bauteilbedingten Verlustleistungen in den Leistungsmodulen entsteht während des Betriebs der Leistungselektronikanordnung LA1 Abwärme, die von dem Kühlkörper KK aufgenommen und von dem durch die Kühlkanäle

durchströmenden Kühlmedium abgeführt wird.

Zur Überwachung der Temperatur in der Leistungselektronikanordnung LA1 wird ein thermisches Modell verwendet. Als Eingangsparameter für das Modell wird neben den elektrischen Parametern der Leistungselektronikanordnung LA1 auch die Temperatur des Kühlmediums verwendet. Dabei wird die Temperatur des Kühlmediums indirekt durch das Messen der Temperatur an der Oberfläche OF des Kühlkörpers KK ermittelt.

Hierzu weist die Leistungselektronikanordnung LA1 einen Temperatursensor TS1 zum Messen der Temperatur des Kühlkörpers KK an der Oberfläche OF, sowie eine Sensordatenauswerteschaltung AS1 zum Erfassen und zum Auswerten der Messdaten des Temperatursensors TS1 auf. Außerdem weist der Kühlkörper KK auf der Oberfläche OF zwei weitere löt- bzw. sinterfähige Verbindungsflächen VF1 , VF2 zum Herstellen mechanischer und thermischer Verbindungen zu dem

Temperatursensor TS1 und zu der Sensordatenauswerteschaltung AS1 auf. Dabei sind die beiden Verbindungsflächen VF1 , VF2 ebenfalls aus Kupfer oder einer Kupferlegierung durch Kaltgasspritzen ausgebildet.

Der Temperatursensor TS1 ist als ein oberflächenmontierbares SMD-Bauelement (auf Englisch„Surface Mount Device, SMD“) ausgebildet. Der Temperatursensor

TS1 weist eine erste Verbindungsschicht VS1 zum Herstellen einer mechanischen und thermischen Verbindung zu dem Kühlkörper KK, eine Isolierschicht IS zur elektrische Isolation, ein Temperatursensorelement SE, sowie zwei Kontaktflächen KF zum Herstellen von Bondverbindungen zu der Sensordatenauswerteschaltung AS1 auf. Dabei sind die beiden Kontaktflächen KF auf einer ersten, von dem Kühlkörper KK abgewandten Seite des Sensorelements SE ausgebildet. Die Isolierschicht IS ist auf einer zweiten, dem Kühlkörper KK zugewandten Seite des Sensorelements SE ausgebildet. Die erste Verbindungsschicht VS1 ist wiederum auf einer von dem Sensorelement SE abgewandten und somit dem Kühlkörper KK zugewandten Seite der Isolierschicht IS ausgebildet.

Das Temperatursensorelement SE ist als ein Platinmesswiderstand, bspw. ein PT1000-Widerstand, ausgebildet, der abhängig von der Temperatur dessen elektrischen Widerstand verändert. Alternativ kann das Temperatursensorelement SE als ein anderer bekannter Kaltleiter oder als ein Heißleiter bekannter Art ausgebildet sein. Außerdem kann das Temperatursensorelement SE auch als ein Halbleiterbauelement, z.B. eine Diode oder ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), ausgebildet sein, wobei in diesem Fall dann der

PN-Übergang des Halbleiterbauelements zum indirekten Messen der Temperatur verwendet wird.

Die erste Verbindungsschicht VS1 ist als eine lötbare Schicht (bzw. eine Lötschicht) oder eine sinterbare Schicht (bzw. eine Sinterschicht) ausgebildet. Der

Temperatursensor TS1 liegt über die erste Verbindungsschicht VS1 auf einer ersten der beiden Verbindungsflächen VF1 des Kühlkörpers KK auf. Dabei ist die erste Verbindungsschicht VS1 auf der ersten Verbindungsfläche VF1 direkt aufgelötet oder aufgesintert.

Die Isolierschicht IS ist als eine thermisch gut leitende und zugleich elektrisch gut isolierende AI203-Keramikschicht ausgebildet. Die Isolierschicht IS verbindet das Temperatursensorelement SE mit dem Kühlkörper KK thermisch und zugleich isoliert das Temperatursensorelement SE von dem Kühlkörper KK elektrisch.

Die beiden Kontaktflächen KF auf der ersten Seite des Sensorelements SE dienen als elektrische Anschlüsse des Temperatursensors TS1 , über die die

Sensordatenauswerteschaltung AS1 die Messdaten des Temperatursensors TS1 erfasst. Auf den beiden Kontaktflächen KF sind jeweils ein Bonddraht BD

aufgebondet, welche Bondverbindungen von dem Temperatursensor TS1 zu der Sensordatenauswerteschaltung AS1 hersteilen.

Die Sensordatenauswerteschaltung AS1 ist auf einem Keramiksubstrat KS (also auf einer Leiterplatte aus einer elektrisch isolierenden Keramik) ausgebildet. Das Keramiksubstrat KS weist auf einer von dem Kühlkörper KK abgewandten Seite zwei elektrischen Anschlussflächen AF auf, die zum Herstellen von elektrischen Verbindungen zwischen dem Temperatursensor TS1 und Schaltungskomponenten der Sensordatenauswerteschaltung AS1 auf dem Keramiksubstrat KS dienen. Dabei liegen die beiden Bonddrähte BD über ihre jeweiligen freiliegenden Enden auf jeweils einer der beiden Anschlussflächen AF auf und auf diesen aufgebondet. Über die beiden Bonddrähte BD erfasst die Sensordatenauswerteschaltung AS1 die Messdaten des Temperatursensors TS1 und wertet diese aus und ermittelt somit Temperaturwerte oder Temperaturwertveränderung an dem Kühlkörper KK. Dabei können die Bonddrähte BD in einem Bonding-Vorgang auf dem

Temperatursensor TS1 und auf der Sensordatenauswerteschaltung AS1 aufgebondet werden, in dem auch andere Bonddrähte der

Leistungselektronikanordnung LA1 bzw. der Leistungsmodule gebondert werden.

Die Sensordatenauswerteschaltung AS1 weist ferner auf einer dem Kühlkörper KK zugewandten Seite des Keramiksubstrats KS eine zweite Verbindungsschicht VS2 zum Herstellen einer mechanischen und thermischen Verbindung zu dem

Kühlkörper KK auf. Die zweite Verbindungsschicht VS2 ist als eine weitere lötbare Schicht (bzw. eine weitere Lötschicht) oder eine weitere sinterbare Schicht (bzw. eine weitere Sinterschicht) ausgebildet. Die Sensordatenauswerteschaltung AS1 liegt über die zweite Verbindungsschicht VS2 auf einer zweiten der beiden

Verbindungsflächen VF2 des Kühlkörpers KK auf. Dabei ist die zweite

Verbindungsschicht VS2 auf der zweiten Verbindungsfläche VF2 direkt aufgelötet oder aufgesintert.

Der Vorgang zum Auflöten bzw. Aufsintern des Temperatursensors TS1 und der Sensordatenauswerteschaltung AS1 erfolgt in demselben Fertigungsschritt zum Auflöten bzw. Aufsintern der Leistungsmodule auf dem Kühlkörper. Analog erfolgt der Vorgang zum Aufbonden der Bonddrähte auf dem Temperatursensor TS1 und der Sensordatenauswerteschaltung AS1 in demselben Fertigungsschritt zum Herstellen der Bondverbindungen zu und zwischen den Leistungsmodulen.

Dadurch sind keine zusätzlichen Fertigungsschritte erforderlich, um den

Temperatursensor TS1 und die Sensordatenauswerteschaltung AS1 auf dem

Kühlkörper KK zu montieren und miteinander elektrisch zu verbinden. Folglich kann die Leistungselektronikanordnung LA1 einfach und kostengünstig hergestellt werden.

Figur 2 zeigt in einer weiteren schematischen Querschnittdarstellung einen

Abschnitt einer Leistungselektronikanordnung LA2 gemäß einer zweiten

beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.

Die Leistungselektronikanordnung LA2 in Figur 2 unterscheidet sich von der in Figur 1 dargestellten Leistungselektronikanordnung LA1 vor allem dadurch, dass die Leistungselektronikanordnung LA2 einen Temperatursensor TS2 aufweist, der ohne Potentialtrennung direkt mit dem Kühlkörper KK elektrisch verbunden ist. Ferner weist die Leistungselektronikanordnung LA2 eine

Sensordatenauswerteschaltung AS2 zum Erfassen und zum Auswerten der Messdaten des Temperatursensors TS2 auf, die sich von der in Figur 1

dargestellten Sensordatenauswerteschaltung AS1 geringfügig unterscheidet.

Der Temperatursensor TS2 ist in dieser Ausführungsform ebenfalls als ein oberflächenmontierbarer Platinmesswiderstand, bspw. ein PT1000-Widerstand, ausgebildet. Der Temperatursensor TS2 weist wie der in Figur 1 dargestellte Temperatursensor TS1 ein Temperatursensorelement SE und eine erste

Verbindungsschicht VS1 auf. Anders als der in Figur 1 dargestellte

Temperatursensor TS1 weist der Temperatursensor TS2 jedoch keine Isolierschicht zur elektrische Isolation auf. Darüber hinaus weist der Temperatursensor TS2 nur eine Kontaktfläche KF zum Herstellen einer (einzigen) Bondverbindung zu der Sensordatenauswerteschaltung AS2 auf. Dabei ist die Kontaktfläche KF auf einer ersten, von dem Kühlkörper KK abgewandten Seite des Sensorelements SE ausgebildet. Die erste Verbindungsschicht VS1 ist als eine lötbare Schicht (bzw. eine Lötschicht) oder eine sinterbare Schicht (bzw. eine Sinterschicht) direkt auf einer zweiten, dem Kühlkörper KK zugewandten Seite des Sensorelements SE ausgebildet. Über die erste Verbindungsschicht VS1 ist der Temperatursensor TS2 auf einer ersten Verbindungsfläche VF1 des Kühlkörpers KK direkt aufgelötet oder aufgesintert. Ohne die elektrisch isolierende Isolierschicht ist der Temperatursensor TS2 bzw. das Temperatursensorelement SE mit dem Kühlkörper KK niederohmig und somit ohne Potentialtrennung mit dem Kühlkörper KK elektrisch verbunden.

Die Sensordatenauswerteschaltung AS2 in Figur 2 unterscheidet sich von der in Figur 1 dargestellten Sensordatenauswerteschaltung AS1 dadurch, dass diese

anstelle zwei nur eine elektrische Anschlussfläche AF zum Herstellen einer (einzigen) Bondverbindung zu dem Temperatursensor TS2 aufweist, die über einen Bonddraht BD mit der (einzigen) Kontaktfläche KF des Temperatursensors TS2 elektrisch verbunden ist. Zum Erfassen der Messdaten des Temperatursensors TS2 ist die Sensordatenauswerteschaltung AS2 über die eine Bondverbindung und über den elektrisch leitenden Kühlkörper KK mit dem Temperatursensor TS2 elektrisch verbunden.

Damit dient der Kühlkörper KK in dieser Ausführungsform als eine elektrische Verbindung zwischen dem Temperatursensor TS2 bzw. dem

Temperatursensorelement SE und der Sensordatenauswerteschaltung AS2 zum Erfassen der Messdaten. Das Temperatursensorelement SE ist somit zwischen dem einen Bonddraht BD und dem Kühlkörper KK elektrisch angeschlossen.

Dadurch entfällt ein zweiter Bonddraht, der sonst zum Erfassen der Messdaten erforderlich wäre. Dies reduziert weiter den Herstellungsaufwand und somit auch die Herstellungskosten für die Leistungselektronikanordnung LA2.

In einer alternativen, in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsform kann der Kühlkörper KK aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet sein. In diesem Fall bildet die Oberfläche OF des Kühlkörpers KK an sich eine löt- bzw. sinterfähige Verbindungsfläche. Folglich entfallen die oben beschriebenen kaltgasgespritzten Verbindungsflächen VF1 , VF2. Der Temperatursensor TS1 bzw. TS2 und die Sensordatenauswerteschaltung AS1 bzw. AS2 können dann direkt auf der

Oberfläche OF des Kühlkörpers KK aufgelötet bzw. aufgesintert werden.